KR100603943B1

KR100603943B1 - 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기

Info

Publication number: KR100603943B1
Application number: KR1020040084891A
Authority: KR
Inventors: 우병철; 강도현; 장정환; 김지원
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-07-25
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: JP2006121897A; KR20060035409A; JP4153516B2; US20060087180A1

Abstract

본 발명은 고출력 고효율의 선형 동력 발생 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비교적 간단한 구조이면서 고출력으로 동력 발생효율을 높일 수 있는 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기는, 선형전동기를 이용한 압축기에 있어서; 양쪽으로 기둥부가 형성된 U자형으로 이루어지고 소정 간격으로 배열된 복수의 하부 고정자 철심, 상기 하부 고정자 철심의 양쪽 기둥부가 중심부로 각각 삽입되는 연접된 한 쌍의 환형권선으로 이루어진 하부 권선으로 구성되는 하부 고정자;양쪽으로 기둥부가 형성된 U자형으로 이루어지고 상기 하부 고정자 철심과 상하로 마주보며 하부 고정자 철심과 소정의 극간격으로 어긋나게 배열된 복수의 상부 고정자 철심, 상기 상부 고정자 철심의 양쪽 기둥부가 중심부로 각각 삽입되는 연접된 한 쌍의 환형권선으로 이루어진 상부 권선으로 구성되는 상부 고정자;상기 하부 고정자 및 상부 고정자 사이에 배치되되, 인접한 다른 영구자석과 서로 다른 방향의 자속을 발생시키는 복수의 영구자석이 이동자 철심에 의해 연결된 구조 한 쌍이 이동자 중심부에 의해 서로 대칭되게 구성되고, 상기 이동자 중심부의 양측으로 이동자 지지부가 연결되고, 각 이동자 지지부의 일측으로 피스톤이 연결되어 이루어진 이동자; 및상기 이동자의 양측단 피스톤에 대항하여 구비되며 피스톤의 왕복 운동에 따라 공기압축 작용을 행하는 실린더를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

선형 전동기, 고정자, 이동자, 양방향 압축기

Description

횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기 {Bi-direction operating linear compressor using transverse flux linear motor}

도1은 종래의 종자속형 선형 전동기를 이용한 압축기의 단면도

도2는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기를 나타내는 분해 사시도

도3은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 이동자를 나타내는 분해 사시도

도4는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 이동자 측면도

도5는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 고정자 철심의 사시도

도6은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 고정자 권선의 사시도

도7은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 우측 구동 설명도

도8은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 우측 구동 힘 발생 원리도

도9은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 좌측 구동 설명도

도10은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 좌측 구동 힘 발생 원리도

도11은 본 발명에 따른 복수의 이동자 철심과 고정자 철심을 가진 횡자속 선형 전동기의 측면도

도12는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 이동자 시간-전류 특성도

도13은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 이동자 시간-발생추력 특성도

도14는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 이동자 위치-전류 특성도

도15는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 이동자 위치-발생추력 특성도

도16은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 전류 공급 회로도

도17은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 2병렬 구성에 따른 회로도

도18은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 직렬 구성에 따른 회로도

도19은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 4병렬 구성에 따른 회로도

도20은 본 발명에 따른 양방향 구동형 피스톤-공진스프링과 횡자속 선형 전동기로 구성된 압축기 설명도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

201a : 상부 고정자

201b : 하부 고정자

211a : 상부 고정자 철심

211b : 하부 고정자 철심

212a : 상부 고정자 권선

212b : 하부 고정자 권선

202 : 이동자

221 : 이동자 철심

222 : 이동자 영구자석

223 : 이동자 중심부

224 : 이동자 지지부

225 : 피스톤

226 : 실린더

227 : 공진용 스프링

일반적으로 널리 사용하고 있는 냉장고와 에어컨의 경우 필수적으로 압축기가 사용되고 있으며 증발기에서 흡수된 열로 인해서 저압 증기를 고압으로 바꿔주 는 역할을 하고 있다. 이러한 압축기는 피스톤과 실린더로 구성되고 왕복동식이나 스크롤 방식과 같은 회전형 전동기가 널리 이용되고 있으며, 직선 동력을 얻기 위해서는 회전형 전동기와 이 회전력을 직선운동으로 변환시키는 기계적인 부가장치를 결합한 이중 구조의 구동 시스템을 사용하고 있다. 직선운동 변환장치로는 볼스크류 등을 사용하고 있으나 이러한 이중 구조의 구동 시스템들은 그 구조가 복잡하고 제조 단가가 높으며 또한 유지보수의 비용이 높다. 또한 소음이 크고 효율이 떨어지며 부피 또한 크다는 단점이 있다.

한편, 선형 전동기는 직선운동 변환 장치가 필요한 회전형 전동기와는 달리 직선운동을 직접 발생시키기 때문에 기계적인 부가장치가 필요 없고 구성도 간단하지만, 구조적으로 길이가 유한하기 때문에 입구단과 출구단이 존재하므로 누설자속과 에너지의 왜형 및 손실을 발생하여 효율을 악화시킨다. 또한 고효율 및 고출력을 위해서는 많은 양의 영구자석을 필요로 하므로 가격이 증가하고 전동기의 체적이 커져서 압축기에 적용하기 곤란하다. 일부에서 압축기에 선형 전동기를 적용하는 사례가 있지만, 기존의 선형 전동기는 종자속형 전동기를 사용하고 있으며 단방향 구동형을 사용하고 있는 것이 일반적이다.

이러한 기존의 선형 전동기를 이용한 압축기의 일례를 보면, 도 1에 도시한 바와 같이 상하의 고정자(101)와 상기 고정자의 일측에 결합되는 실린더(102)와 상기 고정자의 타측에 결합되며 구동력을 발생시키는 전동기를 구성하는 외부 철심(103)과 소정의 간극을 두고 외부 철심(103)에 삽입되어 상기 실린더(102)에 결합되는 내부 철심(104)과, 상기 외부 철심(103)에 권선되는 권선코일(105)과, 상기 외부 철심(103)과 내부 철심(104) 사이에 결합되어 전동기의 구동 시 직선 운동하는 영구자석(106)과, 상기 실린더(102) 내부의 압축공간에 삽입되는 피스톤(107)과, 상기 영구자석(106)과 피스톤(107)을 연결하여 영구자석(106)의 직선 운동을 피스톤(107)에 전달시키는 연결부재(108)와, 내부에 소정의 이동공간을 갖도록 형성되어 상기 고정자(101)의 일측에 결합되며 연결부재를 복개하는 보디커버(109)와, 상기 연결부재(108)와 실린더(102)사이 그리고 연결부재(108)와 보디커버(109)사이에 각각 삽입되어 피스톤(107)의 움직임을 탄성적으로 지지함과 더불어 운동에너지를 저장하는 역할을 하는 내, 외측스프링(110,111)을 포함하여 구성된다. 전동기에 전류가 인가되어 권선코일(105)에 전류가 흐르게 되면 권선코일에 흐르는 전류에 의해 외부 철심(103)과 내부 철심(104)에 흐르는 자속과 영구자석(106)에서 발생되는 자속의 상호 작용력에 의해 영구자석(106)이 직선 왕복운동하게 되며, 그 직선운동이 연결부재(108)를 통해 피스톤(107)에 전달되어, 피스톤(107)이 스프링(110,111)에 의해 탄성 지지되면서 실린더(102) 내부의 압축공간을 직선 왕복운동하게 된다.

상기 선형 전동기를 이용한 압축기는 권선코일(105)에 흐르는 전류에 의해 외부 철심(103)과 내부 철심(104)에 인가되는 자속의 방향과 피스톤(107)의 이동방향이 같은 종자속력에 의해 단방향으로 구동되므로, 같은 용량의 압축기에서 양방향 구동형 압축기에 비해 상대적으로 크기가 크고 효율이 낮은 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일반적으로 널리 사용되고 있는 왕복동식과 같은 회전형 전동기가 회전운동을 직선운동으로 변환하는 방식을 사용하는데 반해 피스톤이 직선 왕복 운동하는 횡자속 선형 전동기에 직접 체결되도록 압축기에 적용하고, 현재 일반적으로 이용하고 있는 선형 압축기는 하나의 전동기에 하나의 피스톤으로 구동되거나 회전하는 단방향 구동형이 일반적인데 반해 본 발명에서는 하나의 횡자속 선형 전동기의 좌우에 피스톤을 두는 횡자속 선형전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기를 제안한다. 즉, 양쪽에 피스톤을 두고 중간에 횡자속 선형 전동기를 구동하는 방식을 사용하여, 피스톤의 좌우 이동시의 압축과 이완 시에 발생되는 가변속도를 스프링에서 흡수하고 방출하는 공진 메카니즘을 사용하고, 자속의 방향이 이동방향에 대해 횡방향인 횡자속 선형전동기를 사용한 것이 특징이며, 특히 냉동기에 필수적으로 사용되는 압축기에 정확한 위치와 토크 값의 조정으로 용량의 조절이 가능하여, 단위 무게 당 추력특성이 우수한 횡자속 선형 전동기를 적용한다.

또한 상기 이동자 지지부와 실린더 일측에 양단이 각각 고정된 스프링을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 이동자 중심부에는 하나 이상의 사각 통공이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 이동자 양측에 구비된 한 쌍의 피스톤의 구동축이 이동자 중심부에 대하여 상호 반대 방향으로 편심된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기를 나타내는 분해 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 U자형의 상부 고정자 철심(211a)과 상부 고정자에 전류를 흐르게 하는 환형의 권선이 연접되어 있는 한 쌍의 상부 권선(212a)으로 구성되어 있는 상부 고정자(201a) 및 복수의 U자형의 하부 고정자 철심(211b)과 하부 고정자에 전류를 흐르게 하는 환형의 권선이 연접되어 있는 한 쌍의 하부 권선(212b)으로 구성되어 있는 하부 고정자(201b)를 포함하여 이루어지되, 상기 상부 고정자(201a)와 하부 고정자(201b)는 상하 방향으로 대항하여 배치된다. 이동자(202)는 이동자 철심(221)과 에너지 밀도가 높은 영구자석(222)으로 구성되어 있으며 상부 고정자(201a) 및 하부 고정자(201b) 사이에 배치되어 공진용 스프링(227)으로 연결되어 있다.

또한 상기 이동자(202)는 서로 다른 방향의 자속을 발생시키도록 반대방향의 극으로 나열되어 있는 복수의 영구자석(222)이 소정 길이의 이동자 철심(221)에 의해 연결된 구조 한 쌍이 그 중간에 설치된 중심부(223)를 경계로 서로 반대방향의 극으로 앞, 뒤로 서로 마주보게 배치하여, 상부 권선(212a) 및 하부 권선(212b)에서 발생하는 자속으로 인해서 수평방향으로 움직일 수 있는 힘을 발생할 수 있게 된다.

또한, 이동자(202)의 정확한 수평이 가능하다 할지라도 미세한 진동이나 힘의 불균형이 발생할 경우 상,하부 및 좌우의 변위가 발생할 수 있으므로, 압축기와 접촉하는 피스톤의 구동축을 이동자 중심부(223)에 대하여 상호 반대 방향으로 편심되게 설계하여 이러한 불평형에 따른 변위를 줄일 수 있는 가이드 역할을 하도록 하였으며, 이동자(202)의 무게를 줄이기 위해서 이동자 중심부(223)에 사각 통공을 양쪽으로 형성하는 구조로 구성되어 있다. 또한 앞,뒤 영구자석과 철심사이에 있는 중심부(223)와 지지부(224)는 자성체를 사용하면 영구자석에서 발생하는 자속이 누설되기 때문에 비자성체를 사용한다.

도 3은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 이동자를 나타내는 분해 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 이동자를 앞,뒤 2개의 이동자(202a, 202b)로 절단하여 보면, 이동자 철심(221)으로 연결된 복수의 영구자석(222)들은 서로 다른 방향의 자속을 발생시키도록 배치되어 있고, 상기 영구자석(222)과 이동자 철심(221)이 연결된 구조 한 쌍이 마주 보게 배치되도록 그 중간에 이동자 중심부(223a, 223b)가 배치되어 있고, 상기 이동자 중심부의 양측으로 이동자 지지부(224a, 224b)가 연결되어 있고, 상기 지지부(224a, 224b)의 일측에 피스톤(225a, 225b)이 연결된 구조로 되어 있다. 또한 상기 피스톤(225a, 225b)의 왕복운동에 따라 공기압축 작용을 행하는 실린더(226a, 226b)가 더 포함되어 피스톤은 구동 시 상기 실린더(226a, 226b)에 삽입되며, 상기 이동자의 지지부(224a, 224b)와 실린더(226a, 226b)의 일측에 양단이 각각 고정된 공진 스프링(227a, 227b)이 배치된다. 상기 스프링(227a, 227b)과 연결된 지지부(224a, 224b)는 피스톤 구동축에 대하여 앞,뒤 이동자(202a, 202b)에 상호 반대방향으로 편심되게 연결되어 있으며, 상기 앞,뒤 이동자(202a, 202b)의 영구자석(222)은 서로 반대 방향의 극성을 가지고 마주보게 배치하여 높은 공극 자속을 만들 수 있는 구조로 구성하였다. 도면에서 화살표는 영구자석(222)에서 발생하는 자속의 방향을 나타내고 있다. 여기서, 이동자 철심(221)은 서로 동일한 치수로 구성되며 또한 영구자석(222)들도 서로 동일한 치수로 구성되어야 한다.

도 4는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 이동자 측면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 이동자(202)는 좌우로 수평운동을 하는 평면형 구조를 가진다.

도 5는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 상부 고정자 철심 및 하부 고정자 철심의 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부 고정자 철심(211a) 및 하부 고정자 철심(211b)은 기둥부와 받침부로 이루어진 복수의 U자 형상의 철심으로 이루어지고, 상부 고정자 철심(211a)과 하부 고정자 철심(211b)은 이동자(202)의 자속과 고정자(201)의 자속에 의해서 양측의 공극에서 같은 방향으로 힘을 발생시키기 위해 상호 극간격을 τ_p 만큼 공간을 두고 서로 마주보는 형상으로 배치되어 있다. 즉, 상부 고정자 철심(211a)은 상측에 2τ_p 간격으로 나란히 배열되어 있고, 하부 고정자 철심(211b)은 하측에 2τ_p 간격으로 나란히 배열되어 있으며, 상부 고정자 철심(211a)과 하부 고정자 철심(211b)은 좌우 극간격이 τ_p 가 되도록 배열되므로, 결과적으로 상부 고정자 철심(211a)와 하부 고정자 철심(211b)은 상기 극각격 τ_p만큼 위치가 어긋나게 배치된다.

도 6은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 상부 권선 및 하부 권선의 사시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상부 권선(212a)은 두 개의 기다란 환형 권선으로 구성되고, 이 두 개의 환형 권선(212a-1, 212a-2)은 나란히 연접되어 있다. 또한, 하부 권선(212b)은 두 개의 기다란 환형 권선으로 구성되고, 이 두 개의 환형 권선(212b-1, 212b-2)은 나란히 연접되어 있다. 상기 상부 권선(212a)과 하부 권선(212b)에는 각각 같은 방향의 전류 I₁이 흘러서 고정자 철심에 자속을 발생시키며, 반대방향의 전류(I₂)가 흐르게 되면 자속의 방향도 반대로 변하게 되어 이동자(202)가 전류의 방향에 따라 상호 반대 방향으로 이동할 수 있게 된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 한쪽 상부 권선(212a-1)의 내측에는 나란히 배열된 복수의 상부 고정자 철심(211a)의 한쪽 방향의 기둥부들이 삽입되고, 다른 쪽 상부 권선(212a-2)의 내측에는 나란히 배열된 복수의 상부 고정자 철심(211a)의 다른 쪽 방향의 기둥부들이 삽입된다. 같은 구성으로 한쪽 하부 권선(212b-1)의 내측에는 나란히 배열된 복수의 하부 고정자 철심(211b)의 한쪽 방향의 기둥부들이 삽입되고, 다른 쪽 하부 권선(212b-2)의 내측에는 나란히 배열된 복수의 하부 고정자 철심(211b)의 다른 쪽 방향의 기둥부들이 삽입된다.

이와 같이 상부 권선(212a-1, 212a-2) 및 하부 권선(212b-1, 212b-2)의 내측으로 고정자 철심의 기둥부가 삽입, 설치되면 도 2에 도시된 바와 같이 양쪽 상부 권선(212a-1, 212a-2)의 서로 연접하는 부분이 상부 고정자 철심(211a)의 받침부에 의하여 지지되는 구조가 되고, 양쪽 하부 권선(212b-1, 212b-2)의 서로 연접하는 부분은 하부 고정자 철심(211b)의 받침부에 의하여 지지되는 구조가 된다. 이때 이동자(202)는 상기 상부 권선(212a)의 연접부분과 하부 권선(212b)의 연접부분 사이에 위치한다. 여기서, 나란히 배열된 고정자 철심(211a, 211b)의 1피치(2τ_p)는 두 개의 이동자 철심과 두 개의 영구자석의 길이와 대응하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 우측 구동 설명도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상부 고정자 권선(212a)과 하부 고정자 권선(212b)에 전류 I₁을 흘리면 암페어의 주회로 법칙에 의하여 상부 고정자 철심(211a)의 앞쪽에 S극, 뒤쪽에 N극이 그리고 하부 고정자 철심(211b)의 앞쪽에 N극, 뒤쪽에 S극의 자속이 발생하게 되고, 고정자(201)의 자극과 이동자(202)의 자극의 상호 작용에 의하여 자극의 방향이 같으면 반발력, 자극의 방향이 다르면 흡인력이 발생하여 N-N극사이의 반발력과 N-S극사이의 흡인력으로 인해서 우측방향의 합성된 힘 F_a가 발생한다.

도 8은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 우측 구동 힘 발생 원리도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상부와 하부의 앞쪽 단면을 기준으로 2차원 도면으로 나타내면, 상부 고정자 권선(212a)과 하부 고정자 권선(212b)에서 전류가 흐르면 상부 고정자 철심(211a)에서는 S극, 하부 고정자 철심(211b)에서는 N극의 자속이 발생하게 되며 이동자(202)와의 관계에서 S-S, N-N의 반발력(F₁, F₄), S-N, N-S의 흡인력(F₂, F₃)이 작용하게 되어 전체적으로 오른쪽으로 움직이게 하는 힘 F_a가 작용하게 된다.

도 9은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 좌측 구동 설명도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 방향이 반대인 전류 I₂ 를 흘리면 상부 고정자 철심(211a)의 앞과 뒤는 각각 N, S극이 되며 하부 고정자 철심(211b)의 앞쪽과 뒤는 S, N극의 자속이 발생하게 되고, 고정자(201)의 자극과 이동자(202)의 자극의 상호 작용에 의하여 자극의 방향이 같으면 반발력, 자극의 방향이 다르면 흡인력이 발생하여 N-N극사이의 반발력과 N-S극사이의 흡인력으로 인해서 좌측방향의 합성된 힘 F_b가 발생한다.

도 10은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기의 좌측 구동 힘 발생 원리도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상부와 하부의 앞쪽 단면을 기준으로 2차원 도면으로 나타내면, 도 8에서 흡인력이 작용하는 부위에서는 반발력(F₂, F₃)이 작용하고 반발력이 작용하는 부위에서는 흡인력(F₁, F₄)이 발생하게 된다. 즉 도 8과 크기는 같으나 방향이 반대인 힘 F_b가 작용하게 되어 반대방향으로 움직일 수 있게 된다.

도 11은 본 발명에 따른 복수의 이동자 철심과 고정자 철심을 가진 횡자속 선형 전동기의 측면도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상부와 하부의 앞쪽 단면을 기준으로 2차원 도면으로 나타내면, 이동자의 철심(221)과 영구자석(222)을 여러 개로 구성하고 마찬가지로 상부 고정자 철심(211a)과 하부 고정자 철심(211b)도 여러 개를 적용한 경우로서 한 주기 뿐만 아니라 아니라 여러 주기의 이동을 가능하게 한다.

도 12는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 이동자 시간-전류 특성도이고, 도 13은 이동자 시간-발생추력 특성도이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 첫 1/2주기 구간(t₀-t₁)에서는 크기가 I₁인 전류 를, 나머지 1/2주기 구간(t₁-t₂)에서는 크기는 같으며 방향만 반대인 전류 I₂가 인가되면, 도 13에 도시한 바와 같이 이동자의 추력은 첫 1/2주기 구간(t₀-t₁)에서는 F_a를, 나머지 1/2주기 구간(t₁-t₂)에서는 크기는 같으며 방향만 반대인 추력 F_b를 발생한다. 이 추력은 전류와 같은 극성을 가지며 I₁에 의해서 F_a, I₂에 의해서 크기는 같고 방향이 반대인 힘 F_b가 발생하게 된다.

도 14는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 이동자 위치-전류 특성도이고, 도 15는 이동자 위치-발생추력 특성도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 0-τ_p 구간에서 I₁ 전류가 인가된 경우, 도 15에 도시된 바와 같이 이동자의 위치에 따라 F_a의 추력이 발생하고, I₂ 전류가 인가되면 F_b의 추력이 발생한다.

도 16은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 전류 공급 회로도이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 상부권선(212a)과 하부권선(212b)에 흐르는 전류는 같은 방향으로 흐르게 되며 스위치 S₁과 S₂를 도통시켜 I₁방향의 전류를 흘려 힘 F_a를 발생시킨다. 마찬가지로 반대방향으로 흐를 경우에는 스위치 S₃와 S₄를 도통시켜 I₂ 방향의 전류를 흘려 힘 F_b가 발생된다. 여기서 스위치 S₁-S₄는 고속스위칭이 가능한 반도체 소자를 사용하는 것이 바람직하다.

도 17은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 2병렬 구성에 따른 회로도이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 앞(212a-1, 212b-1)과 뒤(212a-2, 212b-2) 권선으로 구성되어 있는 상부권선(212a)과 하부권선(212b) 2개를 병렬 연결한 2병렬 회로로서 낮은 전압, 높은 전류에 적합하다.

도 18은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 직렬 구성에 따른 회로도이다.

도 18에 도시된 바와 같이 상부권선(212a)과 하부권선(212b)을 직렬 연결한 회로로서 높은 전압, 낮은 전류에 적합하다.

도 19는 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 4병렬 구성에 따른 회로도이다.

도 19에 도시된 바와 같이 앞,뒤 상,하부 권선(212a-1, 212a-2, 212b-1, 212b-2) 4개를 병렬 연결한 4병렬 회로로 도 17보다 낮은 전압과 높은 전류에 적합한 회로를 나타낸다.

도 20은 본 발명에 따른 횡자속 선형 전동기의 양방향 구동형 피스톤-공진스 프링과 횡자속 선형전동기로 구성된 압축기 설명도이다.

도 20에 도시된 바와 같이, 횡자속 선형 전동기(203)를 이용하여 양방향으로 구동되는 선형 압축기는, 횡자속 선형 전동기의 내부에 구비되는 상부 권선(212a)과 상부 고정자 철심(211a)이 구성된 상부 고정자(201a) 및 하부 권선(212b)과 하부 고정자 철심(211b)으로 구성된 하부 고정자(201b)를 포함하여 이루어지고, 그 사이에 이동자(202)가 위치하고 있다. 상기 이동자(202)는 이동자 철심(221)과 영구자석(222), 피스톤(225a, 225b)으로 구성되어 있으며, 양쪽에 공진용 스프링(227a, 227b)과 실린더(226a, 226b)가 연결되어 있고, 좌측 부분이 압축될 경우 좌측 토출용 밸브(229b)가 열리는 동시에 우측 흡입용 밸브(228a)가 열리게 되며 반대방향으로 진행할 경우 우측 토출용 밸브(229a)가 열려 압축되고 좌측에는 흡입용 밸브(228b)가 열리게 된다.

또한 도 20은 횡자속 선형 전동기(203)의 양쪽에 피스톤(225a, 225b)과 실린더(226a, 226b)를 둔 압축기를 도시한 것으로, 양쪽에 배치한 압축기와 중심부에 있는 횡자속 선형전동기 사이에 스프링(227a, 227b)을 두어 전자석과 피스톤 로드와 스프링 사이의 공진 메카니즘을 이용한 고효율, 고출력형 선형 압축기를 제안한다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구나 수정 및 변환 실시가 가능한 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 본 발명은 기본적으로 선형 시스템을 기반으로 하기 때문에 직선 동력을 얻기 위하여 회전형 전동기와 동력전달장치를 사용하는 시스템에 비하여 구조를 간단히 하여 유지보수의 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 단방향으로 구동되는 압축기에 비해서 같은 용량의 선형전동기를 사용하더라도 이동자가 좌, 우측으로 이동 시 압축과 흡입과정을 같이 수행하기 때문에 거의 2배에 가까운 일을 할 수 있다는 장점을 가지고, 동시에 횡자속 선형전동기는 정확한 위치와 토크값의 조정이 가능하고, 전기회로와 자기회로의 분리 조절이 가능한 가변토출 방식을 사용하여 용량과 크기를 줄일 수 있어, 기존의 선형전동기에 비해 같은 용량에서 얻을 수 있는 추력 또한 2배 이상이므로, 실제 양방향 구동형과 횡자속 전동기를 함께 사용하게 되면 같은 크기에서 계산상 4배 이상의 추력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 기존의 선형 전동기에 비하여 같은 체적에서 얻을 수 있는 추력특성이 우수하므로 압축기에 적용 시 전동기가 차지하는 체적을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 고출력이기 때문에 사용 철심과 권선의 양을 절약하므로 자재비가 적게 드는 효과가 있다.

또한 본 발명은 이동자의 중심부에 사각 통공을 양쪽으로 형성하여 전동기의 무게를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 이동자의 양쪽에 공진 스프링을 배치하여 좌우 이동시의 압축과 이완 시에 발생되는 관성력을 스프링에서 흡수하고 방출하는 시스템의 공진 특성을 이용하므로, 전동기에서 얻어지는 에너지의 손실을 최대한 줄이는 효과가 있다.

또한 본 발명은 피스톤 구동축이 중심축에 대하여 편심되게 설계되어 있어 축방향의 회전이 발생하지 않고 전동기의 공극을 일정하게 유지할 수 있게 되어 균일한 힘을 발생시키며 진동을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

선형전동기를 이용한 압축기에 있어서;

양쪽으로 기둥부가 형성된 U자형으로 이루어지고 소정 간격으로 배열된 복수의 하부 고정자 철심, 상기 하부 고정자 철심의 양쪽 기둥부가 중심부로 각각 삽입되는 연접된 한 쌍의 환형권선으로 이루어진 하부 권선으로 구성되는 하부 고정자;

양쪽으로 기둥부가 형성된 U자형으로 이루어지고 상기 하부 고정자 철심과 상하로 마주보며 하부 고정자 철심과 소정의 극간격으로 어긋나게 배열된 복수의 상부 고정자 철심, 상기 상부 고정자 철심의 양쪽 기둥부가 중심부로 각각 삽입되는 연접된 한 쌍의 환형권선으로 이루어진 상부 권선으로 구성되는 상부 고정자;

상기 하부 고정자 및 상부 고정자 사이에 배치되되, 인접한 다른 영구자석과 서로 다른 방향의 자속을 발생시키는 복수의 영구자석이 이동자 철심에 의해 연결된 구조 한 쌍이 이동자 중심부에 의해 서로 대칭되게 구성되고, 상기 이동자 중심부의 양측으로 이동자 지지부가 연결되고, 각 이동자 지지부의 일측으로 피스톤이 연결되어 이루어진 이동자; 및

상기 이동자의 양측단 피스톤에 대항하여 구비되며 피스톤의 왕복 운동에 따라 공기압축 작용을 행하는 실린더를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기.
제 1항에 있어서,

상기 이동자 지지부와 실린더 일측에 양단이 각각 고정된 스프링을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기.
제 1항에 있어서,

상기 이동자 중심부에는 하나 이상의 사각 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

이동자 양측에 구비된 한 쌍의 피스톤의 구동축이 이동자 중심부에 대하여 상호 반대 방향으로 편심된 것을 특징으로 하는 횡자속 선형 전동기를 이용한 양방향 구동형 압축기.