JP2009507464A - 回路、収縮固定および調整方法 - Google Patents

Abstract

誘導コイル２、特定的には工具のための収縮固定部を加熱するための誘導コイル２に対しての電力の供給を制御するための回路１は、入力電力を与えるための入力３ａ、３ｂ、３ｃを有し、整流器出力を有する整流器３を含む。さらに回路１は、入力および誘導コイル２への接続のためのインバータ出力５ａ、５ｂを有する、ＡＣ電圧を出力するためのインバータ５と、整流器３をインバータ５に接続するための中間回路４と、誘電コイル２に対する電力供給を調整するための調整ユニットとを有する。調整ユニットのための入力変数として電圧Ａ₂を測定するための測定装置６はインバータ５の出力側に接続される。誘導コイル２への電力供給を調整するための対応する方法は、誘導コイル２へ供給される電流Ａ₂が誘導コイル２への電力供給の調整のための入力変数として用いられる調整ステップを含む。

Description

この出願は、誘導コイル、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するための誘導コイルに対しての電力の供給を制御するための回路に関し、この回路は、入力電力を与えるための入力と整流器出力とを有する整流器と、入力および誘導コイルを接続するためのインバータ出力を含む、ＡＣ電圧を出力するためのインバータと、整流器をインバータに接続するための中間回路と、誘電コイルに対する電力供給を制御するための制御ユニットと、誘導コイルに電力を与えるための電力供給ユニットとを含む。さらに、この出願は工具のための収縮取付部に関し、この収縮取付部は過電流を生成および／または磁化の変化を通じて熱を生成することにより収縮取付部を加熱するための誘導コイルを含み、さらにこの出願は、誘導コイル、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するための誘導コイルへの電力供給を制御するための方法に関し、この方法は制御ステップを含む。

旋盤、フライス盤、ボール盤、および同様のものにおいて、工具は工具ホルダの中に受入れられる。加工物の正確かつ規定された機械加工のために、この工具を工具ホルダの中に正確に位置決めすることが必要である。収縮工具ホルダまたは収縮取付部の使用は、ホルダの中に工具を位置決めおよび固定するのに効果的であるということが証明されている。工具を挿入するために、初めにホルダが加熱される。収縮取付部の受入器の熱膨張により、工具は受入器開口部内に挿入され得、その後の冷却により、そこに固定され得る。このように、位置決めは、単純、正確、かつ信頼性のある態様で行なわれ得る。

収縮ホルダを加熱するために誘導コイルが用いられ得る。このコイルには交流電圧が供給されるが、誘導コイルおよび電力素子の最大負荷限界を超えないよう注意が払われなければならない。この目的のために、供給されることになる電力は殆どの電力供給ユニットにおいて事前に調整され得る。しかしながら、このような調整の公算は相対的に不正確であり、特に誘導コイルおよび電力素子の最大負荷限界へ相対的に大きい間隔が維持されなければならないということが理解されるであろう。

図１に示されるように、改善された電力供給ユニットは入力３ａ、３ｂ、および３ｃを有する整流器３を含む。この整流器の出力に中間ＤＣ回路４が接続される。誘導コイル２を動作させるよう、インバータ５がＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する。典型的には、所定の電圧、たとえば３６０Ｖから５００Ｖ、を有するＡＣ電圧が入力電圧として用いられる。この供給される電力の電圧は国ごとに異なるので、電力供給ユニットは展開場所により、たとえば変圧器または異なったように構成される構成部品を特別に装備しなければならない。

図２から明らかなように、電圧Ｖ₁および電流Ａ₁を測定するための測定機器はＤＣ電圧側に配置される。これらの測定値は、コイル２へ供給される電力を制御するよう、制御ユニット（図示せず）のための入力値として用いられている。この制御は皮相出力の実際値／目標値の比較により行なわれ、中間回路４において測定される電圧および電流値Ｖ₁およびＡ₁が実際値として決定される（主に式Ｓ＝Ｕ×Ｉによる）。中間回路において測定される値から皮相電力を決定することは、測定技術の点から見て割合に簡単である。なぜならば、時間の経過とともに起こる電圧および電流の変動はあまり顕著でないからである。特に、重大な電圧および電流スパイクは起こらない。この中間回路において、たとえば、２５アンペアを上回る電流は起こらないので、高価で複雑な変換器モジュールが不要になり得る。したがって、たとえば電流を測定するために用いられる変換器モジュールのような、コスト効率の高い構成部品が実際値の測定および決定に用いられ得る。

このタイプの制御では、特にグリッドにおいて電圧の変動がある場合およびコイルにおいて電力の変動がある場合には、コイルを加熱することによって誘導コイルの最大負荷限界が超えられてしまうことが確実には避けられ得ない。特に、ＤＣ側でのみ測定される皮相電力は誘導コイルに実際に供給される電力とおおよそでしか対応しないということも明らかとなった。これにより、制御パラメータを測定するための測定手段の後に接続されるモジュールを大きなサイズにする必要がある。これは、これらモジュールは典型的には、それらの最大負荷容量を下回る際は電圧スパイクによる過負荷に対する予防措置としてよく動作するということを意味する。

ＤＥ ２００ ０８ ９３７ Ｕ１から、チャックを誘導的に加熱するための装置が公知であり、それは供給回路のさまざまな位置で接続され得、好ましくは変圧器の一次回路における電圧を制御ユニットのための入力パラメータとしてＡＣ出力で測定する測定装置を提供する。二次側では、この変圧器は誘導コイルまたはそれぞれの発振回路に接続される。この装置は二次側に、供給回路およびフィルタを制御するための制御手段を設ける。この装置においても、ＡＣ出力での回路を介すると、測定される皮相電力は実際に誘導コイルへ供給される皮相電力とおおよそでしか対応しない。

ＤＥ １０１ ２９ ６４５ Ｂ４は、コイルによって輪郭線が溶接位置で誘導的に加熱される、プラスチックの構成部品を溶接するための方法を開示する。この装置でも電力限界のために電流測定を提供するが、この場合は工具ホルダではなく工具が加熱されている。

従来技術水準に基づくと、この発明の目的は、特に工具のための収縮搭載部を加熱するための誘導コイルへの電力供給の制御の正確性を向上させ、それと関連付けられる不利な点を取除くことである。

この目的は、請求項１に記載の回路、請求項７に記載の工具のための収縮取付部、および請求項８に記載の誘導コイルへの電力供給を制御するための方法によって達成される。

この発明に従った、誘導コイル、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するための誘導コイルに対しての電力の供給を制御するための回路は、入力電力を与えるための入力と整流器出力とを有する整流器と、入力および誘導コイルを接続するためのインバータ出力を含む、ＡＣ電圧を出力するためのインバータと、整流器をインバータに接続するための中間回路と、誘電コイルに対する電力供給を制御するための制御ユニットとを含む。この回路は、制御ユニットのための入力パラメータとして電流を測定するための測定装置を含み、この測定装置はインバータの出力に接続される。

インバータ出力で測定される電流はこのように、インバータに対してコイル側で測定される。インバータからコイルへの導体において測定される電流から、測定時点でのコイルに直接供給される電力が推論され得る。言い換えれば、コイルを流れる電流が直接測定される。したがって、調整のための入力変数が実際の制御変数と直接対応する。

従来技術水準におけるもののような「平滑化された」値はこの収縮技術では測定されないが、制御される必要のある実際の変数が測定されるということがこの構成の特に有利な点である。これにより、この発明において、測定された電力および制御はより正確となる。

結果として、この回路で用いられるモジュールの性能は、コイルおよび電力素子の過負荷の危険を冒す必要なしに、それらの最大範囲まで用いられ得る。したがって、この発明においては、構成部品の負荷の限界（たとえばＩＧＢＴ−絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのもの）に到達し得る。言い換えれば、これら構成部品は最適な態様でサイズ決めされ得、自身の負荷容量まで用いられ得る。しかしながらすでに上述したように、電流回路において、部分的により大きい構成部品が過負荷防止のために用いられなければならなかった。過負荷防止は、実際値の測定における実質的に高められた正確性によって最適化される。コイルに現在接続される負荷が正確に決定され得るので、コイルおよび電力素子における負荷ならびにしたがって加熱の効率性が実質的に向上され得る。コイルの装荷のこの増加により、調整における遅延または実際の電力の間違った決定によって危機的な範囲に到達することなく、従来技術水準のものにおいてよりも実質的により高い負荷、たとえば少なくとも３０％から５０％高い、がコイルへと接続され得る。

好ましくは、中間回路は、中間回路における電圧を平滑化し、電流ピークを低減する容量を含む。

インバータはインバータ出力で、所定の周波数、特定的には５ｋＨｚから２０ｋＨｚの周波数、特定的には１０ｋＨｚを有する交流電圧を生成するために特定的に構成される。この周波数は、一定して事前に調整され得、それはその用途および要件に従って最適化される。

調整ユニットは、インバータ出力に接続される誘導コイルへの電力供給を、入力変数に依存して、特定的にはインバータによって生成されるａ／ｃ電圧のインパルス幅を変動させることによって調整する。

一定に設定された周波数および電圧に関連するより短いインパルス幅はより少ない電力を意味する。このタイプの制御により、電力供給は整流器入力での入力電圧から独立となる。なぜならば、インパルス幅のみが調整され、それによって電圧の変動が相殺されるからである。したがってグリッドにおける電圧の変動のみが相殺されるわけではない。それとは反対に、この実施例では、国際基準（たとえばヨーロッパは４００Ｖ、アメリカ合衆国は４８０Ｖ）により、さまざまな入力電圧が用いられ得る。従来技術水準においてのように、要件への適合を達成するよう付加的な変圧器を用いる必要はない。入力および／または中間電圧における変動または違いは自動的に調整される。これにより、全回路の複雑さを実質的に増すことなく、より大きい柔軟性および普遍的な回路がもたらされる。この回路は所定の電圧範囲、特定的には３６０Ｖと５００Ｖとの間で変動可能な電圧で特に動作し得る。好ましい電圧範囲は、重要な先進国において現在適用可能な標準値を含む。

この回路は、特定的には、単相または多相のＡＣ電圧で動作し得る。
さらにこの目的は、工具のための収縮取付部を提供することで達成され、この収縮取付部は過電流を生成および／または磁化熱および上述した回路のうちの１つにより収縮取付部を加熱するための誘導コイルを含む。

この発明に従った回路は、工具のための収縮取付部にとって特に有用であることが証明された。この適用領域において、工具を収縮取付部内へ高速かつ正確に嵌合わせることを促進するよう、この収縮取付部に対する特に正確な熱の供給が望ましい。さらに、供給される電力が構成部品の最大負荷に到達するにもかかわらず、加熱時間の調整の正確さにより、最大負荷限界を超えて工具受入器を加熱し過ぎることによる誘導コイルおよび電力素子の破壊が避けられることとなる。

さらにこの目的は、誘導コイル、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するための誘導コイルへの電力供給を調整するための方法を提供することで達成され、この方法は、誘導コイルへ供給される電流が誘導コイルへ供給される電力を制御するための入力変数として用いられる制御ステップを含む。

出力電流値の測定によって電力が決定される調整ステップによって、実質的にリアルタイムで正確な制御または調整が促進される。コイルの負荷は、達成された正確さにより、臨界負荷限界を超える危険なしで実質的に増加され得る。

誘導コイルに供給される負荷は、コイルのインピーダンスおよび測定装置によって測定される電流を用いることによって決定され得る。したがって、電圧の付加的な測定は不要になり得る。

この方法によれば、好ましくは、工具のための収縮取付部の大きさ、特定的には収縮ホルダの大きさ、が測定される電圧により自動的に決定される。したがって、工具のためのさまざまな収縮取付部のためのパラメータはもはや手動で調整される必要はなく、たとえば機械制御の中に格納され得る。

入力電圧は、好ましくは、工具のための収縮取付部の大きさの自動的な決定のために測定される。好ましくは、入力電圧は、整流器の前、または中間回路の中、またはコイル回路の中における電圧測定によって決定される。したがって、工具のための収縮取付部の大きさの測定は、収縮工程によって引起される入力電圧の変化の場合でも可能である。したがって、その大きさの誤った判定により工具のための収縮取付部を加熱し過ぎることが避けられ得る。

所定の周波数、特定的には５ｋＨｚから２０ｋＨｚの周波数を有するＡＣ電圧が好ましくは誘導コイルに供給される。

誘導コイルへの電力供給の制御は、特定の実施例において、ａ／ｃ電圧のインパルス幅の変動によって行なわれる。したがって、入力値および／または構成部品の物理的特性が変化する際または外部の影響が起こる際に、コイルへ供給される電力も信頼できる態様で一定に保たれ得る。さらに、この方法は異なる産業基準、たとえば３６０Ｖ、４００Ｖ、または５００Ｖに対応する電圧値に対して用いられ得る。

上述したように、この方法は特定的には回路の上で実施される。
この発明の付加的な特徴および利点は、特定の実施例の下記の記載から導き出し得る。

図１において、この発明に従った、誘導コイル２への電力供給を制御するための回路１が図示される。この回路は回路基板上で実現され、したがってコイル２への電力供給のための制御回路基板を構成する。

誘導コイル２は、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するために働く。誘導コイル２は交流電磁界を生成し、そこに対して収縮取付部が結合される。収縮取付部において生成される過電流により、および／または強磁性体材料からなる収縮取付部の磁化を変化させることにより、熱が生成され、そのため収縮取付部は膨張し、そのため工具が挿入され得る。

加熱工程において、構成部品の最大許容負荷を考慮に入れつつ、誘導コイル２に可能な限り一定の最大電力を提供することが望ましい。一方では、何としても誘導コイル２およ
び電力素子の最大負荷限界が超えられることを避けなければならず、他方では、可能な限り高い電力が、この加熱工程を効果的に行ないかつ工具受入器の過熱を避けるようコイル２へと提供されなければならない。

コイルに加えて、この回路はそこを通じて入力電圧、たとえばａ／ｃ電力が供給される入力端子３ａ、３ｂ、および３ｃを有する整流器３を含む。整流器３の出力に接続される中間回路４は、コイル２を通る電流の流れる方向により充電または放電される静電容量７を実質的に含む。

自身の入力が中間回路４へ接続されるインバータ５が、５ｋＨｚから２０ｋＨｚの周波数を有する変調された実質的に矩形のＡＣ電圧を生成する。この周波数は調整可能であり、ユーザによって事前に設定され得る。整流器３によって中間回路４に加えられるＡＣ電力は、中間回路４の出力を介してインバータ５の入力へと加えられる。

インバータ５によって生成されるＡＣ電圧は、インバータ５の出力接続部５ａおよび５ｂに接続される。コイル２は、これら接続部５ａおよび５ｂに接続される。

接続部５ａと５ｂとの間には、コイル２が接続される。さらに、この部分には電圧測定装置が配置され、それはコイルを流れる実際の電流を測定する。電流Ａ₂を測定するために、任意の好適な電流測定装置６が用いられ得る。しかしながら、この発明に従った電圧測定をしている間に、図２に見られるような中間回路４における電流／電圧測定とは反対に、ずっと高い電流が起こるということを考慮する必要がある。２５アンペアと比較すると、たとえば４００アンペアまでのピーク負荷が中間電流回路４を流れ得、そのためこの発明に従った解決法においては、それにしたがって自身の測定範囲に対してサイズ決めされ得る構成部品、たとえば変換器モジュール、が用いられなければならない。

他方では、付加的な電圧測定が不要となり得る。なぜならば、電圧およびシステムのインピーダンスから電力が決定され得るからである。

測定された実際値または電流もしくは電力の測定値から決定される実際値は、入力値として調整ユニット（図示せず）に受取られる。測定された電力から導き出される実際の電力に対する、コイル２について決定および設定される所望の電力の実際値／目標値の比較に基づいて調整がたとえば行なわれ得る。所定の値との実際値／目標値の比較の後、インバータ５からコイル２への電力供給が必要に応じて調整される。

この制御ユニットは回路１に接続され得るか、または回路１内へ集積され得る。
回路１によって、制御はより正確かつより効果的になる。なぜならば、中間回路４において入力変数を測定する際、コイル２のインピーダンスの結果として起こるコイル２における電流が近似で考えられ得るのみであるからである。

この実施例では、制御ユニットは、インバータ５の制御信号のインパルス幅の変動に基づき、供給された電力を調整する。一定の電圧でのより大きいインパルス幅はより高い供給された電力を意味する。調整ユニットは、インバータ入力に到達する電圧の変動が相殺されるよう常に調整を行なう。したがって、さらにインバータでの出力電力は、最良の場合にすべての国際基準電圧を含むある電圧範囲内の整流器３での入力信号から独立する。このように、この回路は国際基準内での修正なしに用いられ得る。

このように、従来技術水準から公知である回路（図２と比較のこと）は構成部品のより少ない要件によって簡素化される。さらに、調整の正確性が改善される。

しかしながら、調整においてより高い正確性がある場合、ユニットは電力容量がほとんど最大限用いられ得る構成部品とともに動作され得る。コイル２の過負荷の危険性は実質的にリアルタイムで正確な調整によって低減される。さらに、特に、電圧と電力との間の位相シフトの考慮を通じて、実際におこる電力スパイクとたとえば中間回路において測定される電力値との間の大幅な偏差を予想する必要はない。このコイル装荷の増加によって、従来技術水準と比較して、実質的により高い負荷がコイルに印加され得、工具受入器を加熱し過ぎることが避けられ得る。

この発明に従った回路の特定の実施例である。 従来技術水準に従った対応する回路である。

Claims (15)

1. 誘導コイル（２）、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するための誘導コイル（２）に対しての電力の供給を制御するための回路（１）であって、入力電力を与えるための入力（３ａ、３ｂ、３ｃ）と整流器出力とを有する整流器（３）と、入力および前記誘導コイル（２）を接続するためのインバータ出力（５ａ、５ｂ）を有する、ＡＣ電圧を出力するためのインバータ（５）と、前記整流器（３）を前記インバータ（５）に接続するための中間回路（４）と、
   前記誘電コイル（２）に対して供給される前記電力を調整するための調整ユニットとを含み、前記回路（１）は前記調整ユニットのための入力変数として電流（Ａ₂）を測定するための測定装置（６）を含み、前記測定装置（６）は前記インバータ（５）の出力側に接続され、前記誘導コイル（２）に供給される前記電流（Ａ₂）は前記誘導コイル（２）に供給される前記電力の前記調整のための入力変数として用いられる、回路（１）。
2. 前記中間回路（４）は静電容量（７）を含む、請求項１に記載の回路（１）。
3. 前記インバータ（５）は前記インバータ出力（５ａ、５ｂ）で、所定の周波数、特定的には５ｋＨｚから２０ｋＨｚの周波数、特定的には１０ｋＨｚを有するＡＣ電圧を生成するために構成される、先行する請求項の１つに記載の回路（１）。
4. 前記調整ユニットは、前記インバータ出力（５ａ、５ｂ）に接続される誘導コイル（２）に供給される電力を、前記入力変数に依存して、前記インバータによって生成される前記ＡＣ電圧のインパルス幅を変動させることによって調整する、先行する請求項の１つに記載の回路（１）。
5. 前記回路（１）は所定の電圧範囲、特定的には３６０Ｖと５００Ｖとの間で変動可能である電圧で動作し得る、先行する請求項のうちの１つに記載の回路（１）。
6. 前記回路（１）は、特定的には２１０ボルトと２５０ボルトとの間の電圧範囲にある単相ＡＣ電力、または特定的には３６０ボルトと５００ボルトとの間の電圧範囲にある多相ＡＣ電力で動作され得る、先行する請求項のうちの１つに記載の回路（１）。
7. 工具のための収縮取付部であって、過電流を生成および／または磁化の変化から熱を生成することにより前記収縮取付部を加熱するための誘導コイル（２）と、先行する請求項の１つに記載の回路とを含む、収縮取付部。
8. 誘導コイル（２）、特定的には工具のための収縮取付部を加熱するための誘導コイル（２）への電力供給を制御するための方法であって、前記誘導コイル（２）へ供給される電流（Ａ₂）が前記誘導コイル（２）へ供給される前記電力を制御するための入力変数として用いられる調整ステップを含む、方法。
9. 前記誘導コイルに供給される前記電力は、前記コイル（２）のインピーダンスと測定装置（６）によって測定される電流（Ａ₂）とを用いて決定される、請求項８に記載の方法。
10. 工具のための前記収縮取付部の大きさは前記測定された電流（Ａ₂）によって自動的に決定される、請求項８または９の１つに記載の方法。
11. 工具のための前記収縮取付部の大きさを自動的に決定するよう入力電圧が測定される、請求項８〜１０の１つに記載の方法。
12. 入力電圧は整流器の前、または中間回路の中、またはコイル回路の中における電圧測定によって決定される、請求項８〜１１の１つに記載の方法。
13. 所定の周波数、特定的には５ｋＨｚから２０ｋＨｚの周波数、特定的には１０ｋＨｚを有するＡＣ電圧が前記誘導コイル（２）に供給される、請求項８〜１２の１つに記載の方法。
14. 前記誘導コイル（２）に供給される前記電力の前記調整は前記ＡＣ電圧のインパルス幅の変動によって行なわれる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記方法は請求項１〜６の１つに記載の回路（１）の上で実施される、請求項８〜１３の１つに記載の方法。

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