KR0130534B1

KR0130534B1 - 세탁기용 리니어 모터

Info

Publication number: KR0130534B1
Application number: KR1019940016940A
Authority: KR
Inventors: 김기봉
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1994-07-12
Publication date: 1998-04-09
Also published as: KR960006223A; CN1078766C; JPH08172757A; US5818144A; CN1127440A; JP2622512B2

Abstract

펄세이터형 세탁기용 리니어 모터가 개시되는 바, 이는 회전자를 이중구조로 하고, 이에 대응되는 고정자 역시 이중구조로 하여 세탁시에는 외측에 있는 고정자로 회전자를 저속으로 구동하고, 탈수시에는 내측에 있는 고정자로 회전자를 고속으로 구동시킨다. 이를 위해 회전자는 작은 직경의 영구자석이 삽입되는 제 1 하우징과, 이 영구자석보다 큰 직경을 갖는 다른 영구자석이 삽입되는 제 2 하우징으로 구성되고, 회전축은 제 1 하우징의 중심부에 위치된다. 고정자는 제 1 하우징에 대향되게 설치되는 내측 고정자 코어와 제 2 하우징에 대향되게 설치되는 외측 고정자 코어로 구성됨으로써, 모터를 직접 방식으로 구동시킬 수 있어 구조가 매우 간단하고, 제조비용의 경감 효과가 있다.

Description

세탁기용 리니어 모터

제1도는 이 발명에 따른 펄세이터형 세탁기용 리니어 모터의 회전자 단면도.

제2도는 이 발명에 따른 리니어 모터에 이용되는 외측 고정자 코어의 개략적 평면도.

제3도는 이 발명에 따른 리니어 모터에 이용되는 내측 고정자 코어의 개략적 부분 평면도.

제4도는 제3도에 도시된 내측 고정자 코어를 360°로 연결했을때의 형상도.

제5도는 내측 및 외측 고정자 코어를 권선하는 방법을 나타낸 권선 형상도.

제6도 및 제7도는 이 발명에 따라 제조되는 2극 리니어 모터의 측단면도와 평면도.

제8도 및 제9도는 이 발명에 따라 제조되는 3극 리니어 모터의 측단면도와 평면도.

제10도와 제11도는 이 발명에 따른 리니어 모터가 적용되는 펄세이터형 세탁기의 개념도.

제12도는 이 발명에 따른 리니어 모터의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 회전자 12 : 내측 회전자

14 : 외측 회전자 12a,14a : 백 아이언 판

12b,14b :알루미늄 판 20,30,40 : 고정자 코어

22,32 : 슬로트 50 : 코일

100 : 외측 세탁조 102 : 내측 세탁조

104 : 펄세이터 106 : 축

이 발명은 세탁기에 이용되는 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터축과 세탁기축을 일치시켜 진동을 최소화할 수 있으며 별도의 기어박스없이 세탁과 탈수를 한 개의 모터로서 수행할 수 있도록 한 세탁기용 리니어 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 세탁물을 세탁 및 탈수하기 위한 세탁기의 대부분은 단상유도전동기와 기어박스를 설치하여 구동되는 데, 이 경우 무게중심이 세탁기 추고가 맞지 않을 경우 진동이 야기되고, 또한, 기어와 모터를 벨트로 연결하여 동력을 전달하므로 기계적 손실이 많은 경향이 있었다.

다시 말하면, 모터가 회전되면 벨트에 의해 기어박스에는 동력이 전달되며, 세탁시와 탈수시에는 서로 다른 감속비를 갖는 기어와 연결되어 동작된다. 또한 종래의 세탁기 구동방식은 모터를 직접 구동시켜야만 하는데 이 경우 별도의 인버터가 필요하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 세탁기에 있어서는 단수의 기어들을 사용해야 하므로 그의 구조가 복잡하고 그에 따른 제조비용이 증가하게 되고, 무게중심이 세탁기축과 벗어나 있으므로써, 진동이 발생하게 될 뿐만 아니라 인버터 구동방식에서는 전자회로에 의한 고장 위험과 고가의 인버터를 사용해야하는 문제점이 있었다.

이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이 발명의 목적은, 구조가 간단하고, 제작비용이 적게 들며 전자회로로된 인버터를 사용하지 않는 직접 구동방식의 세탁기용 리니어 모터를 제공함에 있다.

또한, 이 발명의 목적은, 모터축과 세탁기축을 일치시켜 진동을 최소화할 수 있을 뿐만아니라 별도의 기어박스가 필요없어 제조비용이 저렴하고, 기어에 의한 기계적 손실이 없어지도록 한 세탁기용 리니어 모터를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 세탁기용 리니어 모터의 특징은, 작은직경의 영구자석이 삽입되는 제 1 하우징과, 상기 영구자석보다 큰 직경을 갖는 영구자석이 삽입되는 제 2 하우징과, 상기 제 1 하우징의 중심부에 설치된 회전축을 구비한 회전자와, 상기 제 1 하우징에 대향되게 설치되는 내측 고정자 코어와, 상기 제 2 하우징에 대향되게 설치되는 코어와, 상기 제 2 하우징에 대향되게 설치되는 외측 고정자 코어를 구비한 고정자로 구성되고, 상기 회전자는 내측 고정자와 외측 고정자의 작용에 의해 서로 다른 속도로서 회전되는 점에 있다.

이하, 이 발명에 따른 세탁기용 리니어 모터의 바람직한 하나의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 이 발명에 따른 세탁기용 리니어 코어의 회전자에 대한 개략적 측단면도인바, 이 디스크형 회전자(10)는 2개의 고정자(도시하지 않음)에 맞추어 2중 구조로 되어 있다. 제1도에서 알 수 있는 바와같이 외측 회전자(14)로 구성되고, 내측 회전자(12)의 중심부에는 축(16)이 연결되는 바, 이 축(16)은 펄세이터 축과 일체로 연결되어 있다.

내, 회측 회전자(12,14)의 재질은 강화프라스틱으로 제조되며, 회전자(12,14)의 표면에는 백 아이언 판(back Iron Plate)(12a,14a)과 알루미늄판(12b,14b)이 입혀진다. 여기에서 회전자(12,14)의 직경(D1,D2)은 이후 설명할 회전속도와로 결정될수 있다.

제2도는 외측 고정자 코어(20)의 형상도를 도시한 것인바, 이는 제1도에 도시한 외측 회전자(14)의 외측에 설치되어 저속구동을 하는 리니어 모터의 고정자 코어의 형상을 나타낸 것이다. 제2도에 있어서, 코일 슬로트(22)는 코어(20)의 안쪽에 위치한다.

폴피치나 슬로트(22)수는 요구되는 스펙트에 따라 결정되며, 단상 전원과 연결될 경우에는 2개의 슬로트(22)가 1폴피치가 된다.

그리고, 요구되는 출력에 따라 설치할 리니어 모터의 고정자 개수는 증감될 수 있고, 출력과 기구높이에 따라 코어의 적층두께가 결정되는 것이 바람직하다.

제3도는 제1도에 도시된 회전자 (10)중 내측 회전자(12)내에 설치되어 고속구동을 하는 리니어 모터의 고정자 코어(30)를 나타낸 것이다. 코일 슬로트(32)는 코어의 바깥쪽에 위치되어 외측 회전자형 모터로 구동되게 한다. 폴피치나 슬로트 개수는 요구되는 스펙에 따라 결정되며, 단상전원과 연결될 경우에는 2개의 슬로트가 1폴피치가 되며, 3상 전원과 연결될 경우에는 3개의 슬로트가 1폴피치가 된다.

그리고, 요구되는 개수는 출력에 따라 설치할 리니어 모터의 고정자 개수는 증감될 수 있고, 출력과 기구높이에 따라 코어의 적층두께가 결정되는 이 바람직하다.

제4도는 제3도에 도시된 내측 고정자 코어(30)를 360°로 연결한 고정자 코어(40)의 형상을 나타낸 것으로서, 내측 회전자(12)의 직경이 작을 경우 소요출력을 얻기 위해 복수의 내측 고정자 코어(30)를 360°로 배치하여 사용한다.

제5도는 제3도에 도시된 내측 고정자 코어(30)에 코일(5)을 권선한 것으로서, 기구의 높이를 최소화 하기 위하여 동심원 권선(Concentric Winding) 대신 트로이달 권선(Troidal Winding)으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 제2도에 도시된 외측 고정자 코어(20) 역시 트로이달 권선으로 하는 것이 바람직하다.

제6도 및 제7도는 2극 모터의 구조를 도시한 것으로서, 2개의 리니어 모터를 설치한 경우의 조립도를 나타낸 것이다. 여기에서 2개의 고정자(30)는 서로 기하학적으로 대칭되게 180°의 각도를 갖는다. 이로써, 축 방향으로 향하는 스트레스가 서로 상쇄되고 회전력인 직각방향력은 배가된다.

제8도 및 제9도는 3개의 리니어 모터를 설치한 경우의 조립도를 나타낸 것으로써, 3개의 고정자(30)는 서로 기하학적으로 대칭이 되게 120°의 각도를 갖는다. 따라서, 축방향으로 향하는 스트레스가 서로 상쇄되고 회전력인 직각방향력은 배가된다.

제10도 및 제11도는 이 발명에 따른 리니어 모터를 설치한 세탁기의 개념도로서, 펄세이터형 세탁기에서 리니어 모터를 설치한 경우를 나타낸 것이다. 제10도 및 제11도에 도시한 바와같이 리니어 모터의 고정자(30)는 외측 세탁조(100)에 고정되고, 회전자(10)는 내측 세탁조(102)와 펄세이터(104)의 축(106)에 설치될 수 있다. 제10도에 있어서, 참조번호(108)는 이발명에 따른 리니어 모터가 장착되는 위치를 표시한다.

이하, 이 발명에 따른 리니어 모터의 동작원리에 대해 상세히 설명한다.

제12도에서와 같이 외측 고정자의 임의의 점 P와 회전자의 점 Q에 자계가 교번자계 일때, Q점에는 유도전류가 생기게 된다. 그러면 P는 P점의 미소전류에 의하여 자계가 생기게 되고, 이 자계가 교번자계일 때. Q점에는 유도전류가 생기게 된다. 그러면 P의한 자계가 시간에 대한 이동 자계이면 회전자가 이동자계를 쇄교하는 만큼의 힘이 생긴다. 이러한 힘에 의하여 회전자는 회전을 하게 된다.

그 이론식의 전개는 다음과 같다.

제12도에서, P점의 미소전류에 의한 Q점에서의 자속밀도를 B(wb/㎡)이라고 하면 B의 벡터는 원통좌표계에서

이며,

벡터자계 전위(A)는

의 식으로 표시된다.

B와 A사이에는의 관계가 있으므로 Q점에서의 P 점에 의한 자속 밀도가 구해진다.

회전자 전류에 의한 자계는 상회전(Phase Shift)에 의한 이동자계이며, 이때의 자계이동속도는 폴피치를τ라 할 때 동기속도이다.

회전자의 직경을 D, 축의 회전수를 N(rpm) 이라하면, 기계적 원주회전속도는 (Vm)는

이다.

이때, 회전자는 고정자의 이동자계와 쇄교하는 (Vs - Vm)에 의하여 회전자의 도체인 알루미늄판에는 유도 전류가 흐르게 되며 이때의 관계식은

유도전류(I)는 전류밀도(J)를 면적에 대해 적분함으로써 구할 수 있다.

이 공식에서 전항은 교번자계의 시간적 변화에 의한 성분이며 후항은 이동자계의 쇄교에 의한 성분이다. 교번자계에 의해 생긴 힘은 양방향력이나 이동자계에 의한 성분은 단방향력이다. 따라서 위의 전류식에서 이동자계성분을 다시 정리하면

즉, 유도전류는 항상 고정자 전류와 반대의 방향을 가지는 교번자계성분과 자계의 방향에 관계되는 이동자계성분의 벡터합으로 이루어진다.

이 전류와 Q 점에서의 자계에 의해 발생하는 힘은

고정자 전류를 시트전류로 변환 했을 때, 전체 고정자 길이르 -l₁에서 1₁으로 두면 고정자에 의한 Q 점에 작용하는 전체힘은

고정자 전류에 의한 자계가 회전자에 미치는 거리를 -l2에서 l2로 두면, 회전자 전체에 대한 힘은

여기서 Fr은 회전자의 축 방향으로 향하는 힘(Radial Force)에 해당하며,는 접선성분 즉, 축을 중심으로 회전하는 힘을 나타낸다.

로 표시되는 축방향 작용력은 회전자 해당면에 대한 스트레스 이므로 이를 상쇄시키기 위하여 복수의 리니어 모터를 기하학적 대칭이 되게 배치하여 Fr의 벡터 합이 (0)가 되도록 설계한다. 즉, 제6도 내지 제9도등과 같이 2개, 3개...의 리니어 모터를 배치하여 회전력 ()이 비례적으로 증가하고, 축 방향힘(Fr)은 서로 상쇄되도록 한다.

디스크형 회전자의 직경이 D(m)이면,에 의한 회전력, 즉, 토오크는

으로 표시되고,

샤프트의 출력 (Pm)은

이다.

한편, 회전자 직경과 리니어 모터 폴피치와의 관계를 살펴본다.

세탁기의 운전은 (1) 세탁시의 회전속도, 즉, 펄세이터 또는 애지테이터 방식의 경우 펄세이터 또는 애지테이터의 회전속도 또는 드럼식 세탁기의 경우 드럼의 회전속도, (2) 탈수시의 탈수조 회전속도 등 두가지 속도에 맞추어 운전되어야 한다.

예를 들어, 펄세이터형 세탁기의 경우 펄세이터의 회전속도는 134rpm이며 탈수조의 회전속도는 780rpm이다.

상용주파수인 60㎐에 맞추어 설계할 때, 펄세이터의 회전속도를 N1(rpm), 탈수조의 회전속도를 N2(rpm)이라고 하고, 제9도와 같은 디스크형의 직경을 D(m)라 한다. 제3도와 같은 리니어 모터의 폴피치를 τ(m)라 두면 디스크형 회전자의 주변 회전속도는

그리고, 고정자인 리니어 모터의 자계의 동기속도는

이며,

슬립을 S라 할 때, 정지시 S = 1, 탈수시 S = 15%정도 이다.

이동자계에 의하여 움직이는 회전자의 주변 회전속도는

이며,

위의 공식을 연결 시키면,

의 관계가 성립한다.

따라서,비율은

한편, 세탁시와 탈수시의 각각 다른를 얻기 위하여 폴피치 제어와 직경변경 방법을 병용할 수 있다. 즉, 제1도와 같이 회전자의 구조를 이중으로 하고 각기 다른 폴피치의 리니어모터 고정자 코어를 사용하였다. 즉 높은 RPM이 필요한 탈수시에는비율이 큰 안쪽 고정자가 여자되어 회전하고, 낮은 RPM이 요구되는 세탁시에는비율이 작은 바깥쪽 고정자에 의해 회전자가 회전하게 된다.

전술한 바와 같이, 토오크는 회전자의 직경(D)에 비례하여 증감하므로 동일한 힘을 발생하는 리니어 모터 고정자에서 가능한 한 큰 토오크를 얻기 위하여서는비율이 허용되는 최대의 직경을 얻는 것이 좋다.

세탁조의 직경이 약 48cm일 경우 고정자를 둘러싼 주변원의 직경은 48cm이하여야 하여, 탈수조 외곽의 곡율을 고려하면, 35cm 정도 인 것이 좋을 것이다. 회전자의 직경을 30cm로 가정할 때, 제8도 및 제9도와 같이 고정자와 회전자의 폴피치를 구하려면,

에서

S = 0.2, N₂=134 rpm 로 보면 τ = 22(㎜)가 구해진다. 따라서, 단상 전원을 사용하는 경우 3극쌍으로 가정하면 외측 고정자의 길이는 15.7cm로 되어 각도는 약 60°이다. 제2도는 외측 고정자 코어의 단면형상을 나타낸다.

에서

이러한 내측 고정자 코어의 기본 형상은 제3도와 같으며 외측 고정자 코어와 같이 소요 출력에 따라 고정자 코어의 개수를 가감할 수 있다. 내측 직경을 15.279cm로 할 때 4개의 고정자 코어를 서로 연결한 구조로 하면 제4도와 같이 외측 회전자 형 4극 유도전동기의 고정자 코어 모양으로 된다.

한 개의 회전자에 의한 회전력으로 세탁시와 탈수시, 각각의 구동체를 구동시키고자 기계적 클러치를 사용할 수 있다. 그 구조는 여러 가지 모양이 가능하며 이러한 클러치의 구동은 솔레노이드 코일이나 배수밸브용 동기모터와 연결되어 이루어질 수도 있다.

끝으로, 세탁기의 운전중 구동을 정지시키기 위해서는 전기적 제동과 기계적 제동을 이용할 수 있는데, 여기에서, 전기적 제동은 상회전 방향을 반대로 연결한 역상제동이고, 기계적 제동은 회전자와 외측 탈수조를 기계적으로 마찰시켜 운동에너지를 없애는 방안을 생각할 수 있다.

이상에서와 같이, 이 발명에 따른 펄세이터형 세탁기용 리니어 모터에 의하면, 세탁시와 탈수시의 모터 회전속도를 임의로 가변토록 설계될 수 있으므로 모터의 구조가 간단하고, 별도의 기어박스가 전혀필요없이 세탁기의 제작비용이 매우 절감되고, 직접구동방식이므로 모터축과 세탁기축을 일치시켜 진동을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims

작은직경의 영구자석이 삽입되는 제 1 하우징과, 상기 영구자석보다 큰 직경을 갖는 영구자석이 삽입되는 제 2 하우징과, 상기 제 1 하우징의 중심부에 설치된 회전축을 구비한 회전자와; 상기 제 1 하우징에 대향되게 설치되는 내측 고정자 코어와, 상기 제 2 하우징에 대향되게 설치되는 코어와, 상기 제 2 하우징에 대향되게 설치되는 외측 고정자 코어를 구비한 고정자로 구성되고, 상기 회전자는 내측 고정자와 외측 고정자의 작용에 의해 서로 다른 속도로서 회전됨을 특징으로 하는 세탁기용 리니어 모터.
제 1 항에 있어서, 상기 회전자는, 세탁시에는 외측 고정자와의 작용에 의해 저속으로 회전되고, 탈수시에는 내측 고정자와의 작용에 의해 고속으로 회전됨을 특징으로 하는 세탁기용 리니어 모터.
제 1 항에 있어서, 상기 회전자의 회전축은 세탁기의 펄세이터 축과 일체로 연결되어 회전됨을 특징으로 하는 세탁기용 리니어 모터