KR102235546B1

KR102235546B1 - 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치 및 회전 속도 제어 방법

Info

Publication number: KR102235546B1
Application number: KR1020200111645A
Authority: KR
Inventors: 허덕재; 김재성; 송성일; 배승기
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-04-05

Abstract

영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치 및 회전 속도 제어 방법이 소개된다.
이 중에서 빌렛 가열 장치는 빌렛이 진입 가능한 삽입 공간을 제공하고, 빌렛을 두르도록 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 조립체와, 빌렛의 단부를 지지하도록 영구자석 조립체의 단부에 설치되는 서포트와, 삽입 공간이 개폐되도록 서포트에 장착되는 조리개 모듈과, 빌렛을 회전시키기 위한 구동 모터와, 구동 모터의 작동을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치 및 회전 속도 제어 방법{BILLET HEATING APPRATUS USING PERMANET MAGNET AND ROTATION SPEED CONTROL METHID THEREOF}

본 발명은 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치 및 회전 속도 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기 전도성 재료로 이루어진 빌렛(billet)은 전기 유도에 의해 가열될 수 있다.

예컨대, 빌렛 유도가열은 전기 코일의 안쪽에 빌렛을 놓고 코일에 공급된 교류 전류(AC)가 빌렛을 통과하는 자기장을 발생시킬 수 있고, 이때, 발생된 자기장은 빌렛의 내부에 와전류(eddy current)를 유도하여 빌렛을 가열시킬 수 있다.

이와 관련하여 "자가발전 무선온도 및 위치 진단 기능을 갖는 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치(특허공개공보 10-2019-0006782)"가 참고될 수 있다.

종래 영구자석 금속 빌렛 유도가열 장치는, 빌렛이 내부에 삽입되는 본체와, N극 및 S극이 한 쌍으로 이루어져 상기 빌렛 주위를 둘러싸도록 빌렛과 본체 사이에 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하여 구성된다.

그런데 종래 기술의 경우, 누설자기를 줄이고 차폐에 대한 구성이 없어, 누설자기에 대한 시스템의 외부 자기력에 의한 운영의 문제가 발생할 수 있고, 효율이 떨어질 수 있다.

또한, 종래 기술에는 영구자석의 회적에 대한 메커니즘이 구체적으로 개시되어 있지 아니하고, 빌렛의 로딩 및 언로딩(Loading & Unloading)에 대한 구성이 없어, 시스템 구성에 있어 단순화 효율화를 위한 빌렛 입출시 간섭 문제가 야기될 수 있다.

또한, 종래 기술에서는 온도센서 및 위치 센서가 노출됨에 따라, 빌렛과 자석의 공극이 크게 되어 효율이 떨어질 수 있고, 영구자석의 고정 방법 등이 없고, 영구자석과 영구자석 사이의 공간이 있으므로, 영구자석의 착좌의 정확도가 떨어져 편향된 자기장 형성으로 인한 불균일한 온도가 발생될 수 있다.

또한, 종래 기술에서는 영구자석의 적층 배열에 있어서, 자극을 계속적으로 일렬로 적층되므로, 효율이 떨어질 수 있고, 관성이 큰 영구자석 조립체를 회전과 회전 가능하게 지지하기 위한 베어링 구조는 모듈단위 각각에서 필요하므로, 관성에 의한 회전 토크 및 마찰에 의한 에너지 손실이 증가될 수 있다.

국내 공개특허공보 10-2019-0006782호(2019.01.21. 공개)

본 발명의 실시예들은 영구자석과 기계적인 운동을 이용하여 영구자석의 자기장이 빌렛 방향으로 자속 밀도를 높게 형성함과, 빌렛의 반입과 추출이 용이함과, 에너지를 손실을 최소화 되도록 함으로써, 빌렛을 효율적으로 가열할 수 있는 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치 및 회전 속도 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 해결과제는 상기에서 언급한 것만으로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 내용을 통하여 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치는, 빌렛이 진입 가능한 삽입 공간을 제공하고, 상기 빌렛을 두르도록 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 조립체; 상기 빌렛의 단부를 지지하도록 상기 영구자석 조립체의 단부에 설치되는 서포트; 상기 삽입 공간이 개폐되도록 상기 서포트에 장착되는 조리개 모듈; 상기 빌렛을 회전시키기 위한 구동 모터; 및 상기 구동 모터의 작동을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.

이때, 상기 영구자석 조립체는 상기 삽입 공간을 제공하는 조립체 하우징; 상기 조립체 하우징에 내장되고, 상기 영구자석을 지지하도록 상기 삽입 공간을 중심으로 원주 방향으로 배치되는 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈; 및 상기 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈과 상기 조립체 하우징 사이에 공기층을 제공하며 열전발전체를 더 포함하고, 상기 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈은 상기 빌렛의 길이방향으로 연속하여 배치될 때, 길이방향으로 배치된 서로 다른 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈 간에 소정의 위상각을 이루도록 배치 구성 조립할 수 있다.

또한, 본 발명은 회전시 발생되는 상기 빌렛의 진동을 측정하는 진동 센서를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 진동 센서로부터 상기 빌렛의 진동에 대한 정보를 전달받고, 전달받은 상기 진동을 이용하여 상기 빌렛의 궤적을 연산하고, 연산된 빌렛의 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 상기 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하고, 상기 빌렛의 회전이 비 정상인 것으로 진단되면, 상기 빌렛의 회전이 정지되도록 상기 구동 모터를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 회전시 발생되는 상기 빌렛의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 온도 센서로부터 상기 빌렛의 온도에 대한 정보를 전달받고, 전달받은 상기 온도가 기 설정된 적정 온도에 도달되는지 여부를 판단하고, 상기 빌렛의 온도가 상기 적정 온도를 도달된 것으로 판단되면, 상기 빌렛의 회전이 정지되도록 상기 구동 모터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 서포트는 상기 빌렛의 일단부가 회전 가능하게 장착되도록 상기 영구자석 조립체의 일단부 위치의 지지테이블에 설치되는 제1 지지체; 및 상기 빌렛의 타단부가 회전 가능하게 장착되도록 상기 영구자석 조립체의 타단부 위치의 지지테이블에 설치되는 제2 지지체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 영구자석 및 어댑터로 이루어진 모듈은 상기 빌렛 방향으로의 자기장의 밀도를 높이기 위하여 영구자석(N-S)-어댑터-영구자석(S-N)-어댑터-영구자석(N-S) 패턴으로 구성되거나, 영구자석(N-S)-어댑터-영구자석(N-S)-어댑터-영구자석(N-S) 패턴으로 구성되는 조립체로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1 지지체는 조립체 하우징 사이에 공기층을 제공하며 열전발전체는 자석의 자기력을 상실하는 높은 온도 환경을 제어하는 강제 및 자연 냉각 장치; 및 냉각과 온도 차에 의하여 발전 하는 열전 발전 장치를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 지지체는 상기 구동 모터가 장착되는 제1 지지대; 및 상기 빌렛의 일단부를 고정하기 위한 제1 물림척을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 지지체는 제2 지지대; 상기 빌렛의 타단부를 고정하기 위한 제2 물림척; 및 상기 제2 물림척과 상기 제2 지지대 사이에 회전 가능하게 장착되는 제2 베어링을 포함할 수 있다.

또한, 상기 구동 모터는 상기 제1 물림척이 장착되는 구동 회전체에 구동력을 직접 전달하는 중공형 회전 모터이거나, 상기 구동 회전체에 빌렛이 삽입될 수 있는 홀을 제공하며, 벨트, 체인 또른 기아를 통해 구동력을 간접 전달하는 구동 액츄에이터를 갖출 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법은, 클램핑된 빌렛의 회전시, 빌렛의 회전 속도를 제어하는 회전 속도 제어 방법에 있어서, 회전하는 빌렛의 진동을 측정하는 단계; 측정된 진동을 이용하여 빌렛의 궤적을 연산하는 단계; 연산된 빌렛의 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하는 단계; 및 빌렛의 회전이 비 정상인 것으로 진단되면, 빌렛의 회전을 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 회전하는 빌렛의 온도를 측정하는 단계; 측정된 온도가 기 설정된 적정 온도에 도달되는지 여부를 판단하는 단계; 및 빌렛의 온도가 적정 온도를 도달된 것으로 판단되면, 빌렛의 회전을 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 어댑터를 사용함으로써, 영구자석의 배열에 따른 자기장을 빌렛 방향으로 유도하여 효과를 극대화할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 빌렛을 회전함으로써, 빌렛 길이에 따른 영구자석의 모듈 적층 시, 작업의 효율성 및 성능 증대를 꾀함 수 있고, 제작 비용을 절감할 수 있으며, 효율을 높여 에너지의 소비를 절감할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 중공 모터를 사용을 통해, 빌렛 간의 간섭 없이 빌렛의 로딩 및 언로딩이 수월하게 이루어질 수 있고, 빌렛 간의 간섭 없이 열 차단 장치를 설치하여 열손실을 최소화할 수 있으며, 회생 재상 기능과 열전대 발전을 통한 손실 에너지 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 빌렛의 회전시, 빌렛의 진동 및 온도을 측정함으로써, 빌렛의 회전에 의한 위험 속도를 인지할 수 있고, 온도의 효율적 증감을 통한 안정적인 운전을 할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치를 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치를 도시한 중앙 측단면도이다.
도 3은 도 1의 "A"부를 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 조립체를 “B-B”선부의 정면에서 바라본 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 조립체의 어댑터를 도시한 구성도이다.
도 6은 도 1의 서포트의 제1 지지체를 도시한 구성도이다.
도 7는 도 1의 서포트의 제2 지지체를 도시한 구성도이다.
도 8은 도 1의 조리개 모듈의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 제어 흐름을 도시한 블록도이다.
도 10는 본 발명의 변형예에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치를 도시한 측면도이다.
도 11은 본 발명의 변형예에서, 조리개 모듈이 서포트의 제1 지지체의 일단부 측에 설치된 상태를 구성도이다.
도 12는 본 발명의 변형예에서, 조리개 모듈이 서포트의 제1 지지체의 타단부에 설치된 상태를 구성도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 작동 흐름을 도시한 블록도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 누설 차단기가 설치된 빌렛 가열 장치의 자속 밀도 결과를 비교하여 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 빌렛 가열 장치에서, 어댑터의 사용 전후의 자속 밀도 비교한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 빌렛 가열 장치에서, 어댑터의 조립 각도에 따른 전류 밀도를 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 빌렛 가열 장치(10)는, 영구자석 조립체(100), 서포트(200), 조리개 모듈(300), 구동 모터(400), 제어기(500), 열전 발전체(140), 단열재 혹은 단열코팅 층(170) 및 온도 센서(620)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 영구자석 조립체(100)는 지지 테이블(800) 상에 설치될 수 있다. 영구자석 조립체(100)는 빌렛(B)을 지지하도록 빌렛(B)이 진입 가능한 삽입 공간을 제공할 수 있다. 영구자석 조립체(100)는 삽입 공간에 자기장을 형성한 상태에서, 빌렛(B)을 회전시킴으로써, 빌렛(B)을 유도 가열할 수 있다.

이를 위해, 영구자석 조립체(100)는 영구자석(110), 조립체 하우징(120), 어댑터(130) 및 열전대(140)를 포함할 수 있다.

영구자석(110)은 빌렛(B)을 두르도록 배치되는 복수 개로 제공될 수 있다. 영구자석(110)은 자기장을 구성하는 N극, S극 자석으로, 어댑터와 자석의 원주방향의 배열 구성을 N- 어댑터(130)-S, S-어댑터(130)-N가 마주하는 쌍으로 조립체 하우징(120)에 배치되거나, N-어댑터(130)-S, N-어댑터(130)-S의 마주보는 쌍으로 조립체 하우징(120)에 배치될 수 있다.

이때, 영구자석(110)과 어댑터(130)는 조립체 하우징(120) 내 삽입공간의 원주 방향으로 다중으로 설치될 수 있다. 또한, 조립체 하우징(120)에서 누설되는 누설자기를 최소화하기 위하여, 어댑터(130)의 외측에는 누설 차단기(150)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 어댑터(130)에 의하여 1차적으로 차단된 누설자기는, 누설 차단기(150)에 의해 2차 차단될 수 있다. 이 누설 차단기(150)는 누설의 정도에 따라, 선택적으로 설치될 수 있다.

어댑터(130)는 조립체 하우징(120)에 내장될 수 있다. 어댑터(130)는 영구자석(110)을 지지하도록 삽입 공간을 중심으로 자석 사이 원주 방향으로 이격 배치되는 복수 개로 제공될 수 있다. 어댑터(130)는 영구자석(110)이 형성하는 자기장의 형성을 유도하여 빌렛(B)이 있는 방향으로 유도하는 것으로 강자성체 및 비자성체의 물질을 이용하여 구성될 수 있다.

특히, 영구자석과 어댑터(130)가 빌렛(B)의 길이방향으로 연속하여 배치되어 조립되는 경우, 영구자석과 어댑터(130)의 조립된 모듈은 길이방향으로 배치된 서로 다른 복수 개의 영구자석과 어댑터(130)의 조립된 모듈 간에 소정의 위상각을 이루도록 배치될 수 있다. 이때, 빌렛(B)의 길이방향으로 연속 배치되는 서로 다른 조립체 하우징(120) 간에는, 조립핀(160)을 통해 서로 매칭되도록 조립될 수 있다. 서로 다른 조립체 하우징(120)이 조립핀(160)을 통해 조립되면, 이들 조립체 하우징(120) 간에 조립 위치의 정확도를 높일 수 있다.

본 실시예에서, 어댑터(130)가 강자성체 물질로 구성되는 경우, 자석의 반력에 의하여 조립의 문제가 발생될 수도 있으므로, 이를 해결하기 위한 방법으로, 도 5 에서 보듯이, 어댑터(130)의 중앙에 비자성 물질(131)을 삽입하여 구성될 수도 있을 것이다. 도 5의 (a)는 영구자석의 S-N-어댑터-N-S 구조의 배열에 사용하고, 도 5의 (b)는 S-N-어댑터-S-N 구조의 배열 구조의 어댑터를 나타낸 것이다. 130은 강자성체, 132는 비자성체 이다.

열전발전체(140)는 어댑터(130)와 조립체 하우징(120) 사이에 공기층(A)을 제공할 수 있다. 열전발전체(140)는 빌렛(B)과 영구자석(110)의 외각에 설치되어 온도 차에 따라 발전할 수 있다. 빌렛(B)에서 발생하는 열이 영구자석(110)으로 전달되는 것을 차단하기 위하여, 영구자석(110) 및 어댑터(130)의 안쪽 면에는 단열 코팅이나 단열 필름 또는 단열재(170)가 적용될 수 있다.

서포트(200)는 영구자석 조립체(100)의 양단부에 설치되어, 빌렛(B)의 양단부를 지지할 수 있다. 예를 들어, 서포트(200)는 영구자석 조립체(100)의 일단부에 설치되는 제1 지지체(210)와, 영구자석 조립체(100)의 타단부에 설치되는 제2 지지체(220)를 포함할 수 있다. 제1 지지체(210)에는 빌렛(B)의 일단부가 회전 가능하게 장착될 수 있고, 제2 지지체(220)에는 빌렛(B)의 타단부가 회전 가능하게 장착될 수 있다.

보다 자세하게, 제1 지지체(210)는 제1 지지대(211)와, 빌렛(B)의 일단부를 선택적으로 클램핑하는 제1 물림척(212)을 포함할 수 있다.

그리고 제1 물림척(212)은 전류의 흐름과 열을 차단하기 위한 부품을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 물림척(212)은 재질을 단열 및 전열이 될 수 있는 재질로 제작 또는 코팅될 수 있다. 제1 물림척(212)은 별도의 액추에이터(모터, 유압, 공압 등)에 의하여 작동될 수 있고, 제어기(500)의 제어에 의해 연동되게 작동될 수 있다. 빌렛(B)이 중공형 빌렛인 경우, 제1 물림척(212)은 빌렛(B)의 내부에서 지지할 수 있는 클램프 형태로 제공될 수 있다.

특히, 제1 지지체(210)에는 빌렛(B)을 회전시키기 위한 구동 모터(400)가 장착될 수 있다. 이때, 구동 모터(400)는 구동력을 빌렛에 직접적으로 전달하는 중공형 회전 모터일 수 있다.

제2 지지체(220)는 제2 지지대(221)와, 빌렛(B)의 타단부를 고정하기 위한 제2 물림척(222)과, 제2 물림척(222)과 제2 지지대(221) 사이에 회전 가능하게 장착되는 제2 베어링(223)을 포함할 수 있다.

여기서, 제2 물림척(222)은 전류의 흐름과 열을 차단하기 위한 부품을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 물림척(222)의 재질은 단열 및 전열이 될 수 있는 재질로 제작 또는 코팅될 수 있다. 제2 물림척(222)은 별도의 액추에이터(모터, 유압, 공압 등)에 의하여 작동될 수 있고, 제어기(500)의 제어에 의해 연동되게 작동될 수 있다. 빌렛(B)이 중공형 빌렛인 경우, 제2 물림척(222)은 빌렛(B)의 내부에서 지지할 수 있는 클램프 형태로 제공될 수 있다.

조리개 모듈(300)은 영구자석 조립체(100)의 삽입 공간을 개폐하도록 서포트(200)에 장착될 수 있다. 조리개 모듈(300)은 빌렛(B)의 로딩 또는 언로딩시, 삽입 공간을 폐쇄하여 외부로의 열 손실을 줄일 수 있는 열차단 구조를 제공할 수 있다.

이러한 조리개 모듈(300)은 서포트(200)의 단부측에 조립되고 중앙에 조리개 홀(311)이 형성된 조리개 지지대(310)와, 조리개 홀(311)을 개폐하기 위한 조리개 블레이드(330)와, 조리개 홀(311)을 개폐하기 위한 구동력을 조리개 블레이드(330)에 제공하는 조리개 모터(320)를 포함할 수 있다.

제어기(500)는 장치의 운전 상태를 분석하고 제어하는 컨트롤러부(510)와, 제어 및 운전 상태 및 정보를 나타내는 디스플레이부(520)와, 진동 센서(610) 및 온도 센서(620)로부터 신호를 받는 인터페이스부(530)와, 데이터를 저장하고 이를 분석하여 컨트롤러부(510)에 전달하는 데이터베이스부(570)와, 통신을 위한 통신부(540)와, 구동 모터(400)의 회전 속도 제어 및 회생 전원을 제공하는 인버터부(550)와, 에너지를 저장하기 위한 저장부(560)를 포함할 수 있다. 그리고 인터페이스부(550) 및 컨트롤러부(510)는, 통신기능의 Wifi, LAN 등을 갖추어 외부와 통신을 할 수 있는 시스템을 포함할 수 있다. 컨트롤러부(510)는 마이크로프로세서를 포함하는 연산 장치, 메모리 등에 의해 구현될 수 있으며, 그 구현 방식은 당업자에게 자명한 사항이므로 더 이상의 자세한 설명을 생략한다.

진동 센서(610)는 서포트(200)에 설치되어, 빌렛(B)의 회전시 빌렛(B)의 진동을 측정할 수 있다. 진동 센서(610)에서 측정된 빌렛(B)의 진동에 대한 정보는 제어기(500)에 전달될 수 있다. 이때, 제어기(500)는 진동 센서(610)로부터 전달받은 진동을 이용하여 빌렛(B)의 궤적을 연산하고, 연산된 빌렛(B)의 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 빌렛(B)의 회전이 정상인지를 진단하고, 빌렛(B)의 회전이 비 정상인 것으로 진단되면, 빌렛(B)의 회전이 정지되도록 구동 모터(400)를 제어할 수 있다.

온도 센서(620)는 영구자석 조립체(100)에 설치되어, 빌렛(B)의 회전시 빌렛(B)의 온도를 측정할 수 있다. 온도 센서(620)에서 측정된 빌렛(B)의 온도에 대한 정보는 제어기(500)에 전달될 수 있다. 이때, 제어기(500)는 온도 센서(620)로부터 전달받은 빌렛(B)의 온도가 기 설정된 적정 온도에 도달되는지 여부를 판단하고, 빌렛(B)의 온도가 적정 온도를 도달된 것으로 판단되면, 빌렛(B)의 회전이 정지되도록 구동 모터(400)를 제어할 수 있다.

한편, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 구동 모터(400)는, 서포트(200)의 일측에 설치되어 구동력을 빌렛(B)에 간접 전달하는 구동 액츄에이터일 수 있다. 본 발명의 변형예를 설명함에 있어서, 상술한 실시예와 비교하였을 때, 구동 모터(400)가 구동 액츄에이터로 구성된다는 점에서 차이가 있는바, 이러한 차이점을 위주로 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예들을 원용한다.

구동 모터(400)는 빌렛(B)에 간접 전달할 수 있는 구동 액츄에이터일 수 있다. 일 예로, 구동 모터(400)는 기어 수단(214)을 통해 구동력을 빌렛(B)에 간접 전달할 수 있다.

이를 위해, 제1 지지체(210)는 제1 지지대(211)와, 빌렛(B)의 일단부를 선택적으로 클램핑하는 제1 물림척(212)과, 제1 물림척(212)이 장착되는 구동 회전체(216)와, 구동 회전체(216)를 제1 지지대(211)에서 회전 가능하게 장착시키기 위한 제1 베어링(213)과, 구동 모터(400)의 구동력을 구동 회전체(216)에 전달하는 기어 수단(214)을 포함할 수 있다.

여기서, 기어 수단(214)은 구동 모터(400)에 구동 연결되는 구동 기어(214a)와, 구동 회전체(216)와 구동 기어(214a) 사이를 구동 연결하는 전달 기어(214b)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 기어 수단을 통해 구동 모터(400)의 구동력이 전달되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 기어 수단 이외에도, 벨트 또는 체인이 사용될 수 있음은 물론이다.

아울러, 제1 지지체(210)의 일단측 또는 타단측에는 조리개 모듈(300)이 설치될 수 있다. 일 예로, 도 11에서 보듯이, 조리개 모듈(300)은 구동 모터(400)가 위치한 제1 지지체(210)의 일단측에 설치되거나, 도 12에서 보듯이, 조리개 모듈(300)은 제1 물림척(212)가 위치한 제1 지지체(210)의 타단측에 설치될 수 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 빌렛 가열 장치의 작용 및 효과에 대하여 설명한다.

도 13을 참고하면, 조리개 모듈(300)이 개방되면, 빌렛(B)이 조리개 모듈(300)을 통해 영구자석 조립체(100)의 삽입 공간으로 진입된다. 빌렛(B)이 영구자석 조립체(100)의 삽입 공간에 위치되면, 빌렛(B)의 양단부는 제1 물림척(212) 및 제2 물림척(222)에 클램핑된다. 조리개 모듈(300)이 닫히면, 영구자석 조립체(100) 내에 자기장이 형성된 공간에 구동 모터(400)의 작동에 의해, 플레밍의 오른손 법칙에 의하여 빌렛(B)에 전류가 흐르고 이 전류는 빌렛(B)을 가열하게 된다.

이후, 제어기(500)가 전류의 흐름을 크게 하기 위하여 구동 모터(400)의 회전수를 올리게 되면, 서포터의 진동이 커지거나 작아지게 되는데, 이때, 진동 센서(610)는 빌렛(B)의 x, y 축의 진동을 측정하고, 제어기(500)는 진동 센서(610)에서 측정된 진동을 이용하여 회전의 궤적을 산출할 수 있다. 그리고 제어기(500)는 산출된 회전 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 불균형에 대한 감지와 회전에 따른 위험 속도를 회피하고, 진동의 수렴도를 예측하여 안정적인 구동을 제어할 수 있다.

한편, 온도 센서(620)에 의해 빌렛(B)의 온도 상승이 감지되면, 제어기(500)는 전원을 차단하며 모터에서 발생하는 역기전력을 저장부(560)에 저장한다. 그리고 제어기(500)는 측정된 신호를 데이터베이스부(570)에 환경 데이터와 함께 저장하고, 분류하여 속도, 온도, 시간, 재료 및 크기 등에 대한 정보를 통하여 데이터 처리를 수행하고 분석하여 Machine leaning 혹은 AI 알고리즘을 이용하여 예측 모델을 만들고, 입력되는 빌렛(B)의 형태, 환경, 재료 등에 대한 정보를 기반으로 최적의 구동 조건을 운영하기 위한 파라미터를 제어부에 적용하여 작동을 제어할 수 있다. 또한 빌렛(B)의 가열 온도가 올라감에 따라, 열전발전체(140)는 온도 차에 의하여 발전이 되고, 이를 저장부(560)에 저장한다. 빌렛(B)의 회전이 멈추게 되면, 조리개 모듈(300)이 개방되고 제1 물림척(212) 및 제2 물림척(222)의 클램핑이 해제되고, 가열 상태의 빌렛(B)은 외부로 추출되어 이송하게 된다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법은, 회전하는 빌렛의 진동을 측정하는 단계와, 측정된 진동을 이용하여 빌렛의 궤적을 연산하는 단계와, 연산된 빌렛의 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하는 단계와, 빌렛의 회전이 비 정상인 것으로 진단되면, 빌렛의 회전을 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.

예컨대, 회전하는 빌렛의 진동을 측정하는 단계에서는, 구동 모터의 회전수를 올리게 되면, 서포터의 진동이 커지거나 작아지게 되는데, 빌렛의 x, y 축의 진동을 측정할 수 있다. 그리고 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하는 단계에서는, 산출된 회전 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 불균형에 대한 감지와 회전에 따른 위험 속도를 회피하고, 진동의 수렴도를 예측할 수 있다.

아울러, 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법은, 회전하는 빌렛의 온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도가 기 설정된 적정 온도에 도달되는지 여부를 판단하는 단계와, 빌렛의 온도가 적정 온도를 도달된 것으로 판단되면, 빌렛의 회전을 정지시키는 단계를 포함할 수 있다. 이를 통해, 빌렛이 삽입되어 가열 온도가 올라가고, 추출 시에 가열된 높은 온도가 내려감에 따라 온도 편차가 발생하고, 열전발전체(140)를 통해 발전시킬 수 있고, 발전된 에너지를 저장부에 저장할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 누설 차단기가 설치된 빌렛 가열 장치의 자속 밀도 결과를 비교하여 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 빌렛 가열 장치에서, 어댑터의 사용 전후의 자속 밀도 비교한 도면이며, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 빌렛 가열 장치에서, 어댑터의 조립 각도에 따른 전류 밀도를 나타낸 도면이다.

도 14는 본 발명의 영구자석을 구성함에 있어서, 외부로 누설되는 자기를 나타내였다. 도 14a는 자기력의 차단을 하지 않은 경우이다. 이는 자성 물체를 끌어당기는 힘에 의하여 작업에 영향을 줄 수 있고, 자기장에 의하여 전자 시스템에 영향을 줄 수 있고, 작업의 효율성을 떨어트린다.

도 14b 및 도 14c는 강자성체를 이용한 차폐를 한 것을 보여 주고 있다. 도 14b 및 도 14c를 통해, 영구자석으로부터 강자성체를 일정한 거리를 두는 것이 자기장의 빌렛 방향으로 유도하여 자속 밀도를 높여 가열 효과가 큼을 확인할 수 있었다. 빌렛 가열장치를 운영하기 위해서는 반드시 자기장의 차폐를 하는 장치가 반드시 필요하다.

도 15에서는 자기장 유도를 위한 어댑터의 사용 전,후의 자속 밀도 비교하였다. 도 15a는 S-N-어댑터-N-S 구성의 자기장 유도를 위한 어댑터의 사용 전 자속 밀도이고, 도 15b는 S-N-어댑터-N-S 구성의 자기장 유도를 위한 어댑터의 사용 후 자속 밀도이다. 도 15a는 S-N-어댑터-S-N 구성의 자기장 유도를 위한 어댑터의 사용 전 자속 밀도이고, 도 15b는 S-N-어댑터-S-N 구성의 자기장 유도를 위한 어댑터의 사용 후 자속 밀도이다.

어댑터는 빌렛 방향으로 자기장의 형성을 효과적으로 하기 위한 것으로, 어댑터를 사용함으로써, 빌렛 방향의 자속 밀도가 균일하게 넓은 영역에서 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이로부터 어댑터를 사용할 경우, 성능을 높일 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 누설 자기량도 적용 전보다 낮게 나타나고 있는 것이 확인되었다.

도 16에서는 영구자석 모듈의 조립 각도에 따른 전류 밀도를 나타내었다. 도 16a는 영구자석 조립체 내에 영구자석을 적층하여 조립하는 것으로, 영구자석의 전극을 같은 배열로 적층한 것이다. 도 16a를 통해, 영구자석 모듈의 끝 면의 모서리 부분에 전류가 집중되어 있는 것을 확인 할 수 있었다.

도 16b는 영구자석 조립체 내에 영구자석을 소정의 위상각으로 회전시켜 적층되는 영구자석과 영구자석 간의 극성이 임의의 위상각을 이루게 하였다. 도 16b를 통해, 영구자석 모듈의 전면과 후면의 모서리뿐만 아니라, 적층의 층마다 높게 나타나고 있어 전체적인 온도를 높이는데 매우 유용함을 알 수 있었다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

100 :영구자석 조립체 110 :영구자석
120 :조립체 하우징 130 :어댑터
140 :열전발전체 150 : 자기 누설 차단대
160 :조립 핀 170 :단열재, 단열 코팅
200 :서포트 210 :제1 지지체
211 :제1 지지대 212 :제1 물림 척
213 :제1 베어링 214 :동력 전달 수단
220 :제2 지지체 221 :제2 지지대
222 :제1 물림 척 223 :제2 베어링
300 :조리개 모듈 310 :제1 조리개
320 :제2 조리개 400 :구동 모터
500 :제어기 800 :지지테이블

Claims

빌렛이 진입 가능한 삽입 공간을 제공하고, 상기 빌렛을 두르도록 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 조립체;
상기 빌렛의 단부를 지지하도록 상기 영구자석 조립체의 단부에 설치되는 서포트;
상기 삽입 공간이 개폐되도록 상기 서포트에 장착되는 조리개 모듈;
상기 빌렛을 회전시키기 위한 구동 모터;
상기 구동 모터의 작동을 조절하는 제어기;
회전시 발생되는 상기 빌렛의 진동을 측정하는 진동 센서; 및
회전시 발생되는 상기 빌렛의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하고,
상기 제어기는
상기 진동 센서로부터 상기 빌렛의 진동에 대한 정보를 전달받고, 전달받은 상기 진동을 이용하여 상기 빌렛의 궤적을 연산하고, 연산된 빌렛의 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 상기 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하고, 상기 빌렛의 회전이 비 정상인 것으로 진단되면, 상기 빌렛의 회전이 정지되도록 상기 구동 모터를 제어하고, 상기 온도 센서로부터 상기 빌렛의 온도에 대한 정보를 전달받고, 전달받은 상기 온도가 기 설정된 적정 온도에 도달되는지 여부를 판단하고, 상기 빌렛의 온도가 상기 적정 온도를 도달된 것으로 판단되면, 상기 빌렛의 회전이 정지되도록 상기 구동 모터를 제어하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 영구자석 조립체는
상기 삽입 공간을 제공하는 조립체 하우징;
상기 조립체 하우징에 내장되고, 상기 영구자석을 지지하도록 상기 삽입 공간을 중심으로 원주 방향으로 배치되는 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈; 및
상기 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈과 상기 조립체 하우징 사이에 공기층을 제공하며 열전발전체를 더 포함하고,
상기 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈은
상기 빌렛의 길이방향으로 연속하여 배치될 때, 길이방향으로 배치된 서로 다른 복수 개의 영구자석과 어댑터로 이루어진 모듈 간에 소정의 위상각을 이루도록 배치 구성 조립하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 조리개 모듈은
상기 서포트의 단부측에 조립되고 중앙에 조리개 홀이 형성된 조리개 지지대;
상기 조리개 홀을 개폐하기 위한 조리개 블레이드; 및
상기 조리개 홀을 개폐하기 위한 구동력을 상기 조리개 블레이드에 제공하는 조리개 모터를 포함하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는
장치의 운전 상태를 분석하고 제어하는 컨트롤러부;
제어 및 운전 상태 및 정보를 나타내는 디스플레이부;
상기 진동 센서 및 상기 온도 센서로부터 신호를 받는 인터페이스부;
데이터를 저장하고 이를 분석하여 상기 컨트롤러부에 전달하는 데이터베이스부; 및
상기 구동 모터의 회전 속도 제어 및 회생 전원을 제공하는 인버터부를 포함하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 서포트는
상기 빌렛의 일단부가 회전 가능하게 장착되도록 상기 영구자석 조립체의 일단부 위치의 지지테이블에 설치되는 제1 지지체; 및
상기 빌렛의 타단부가 회전 가능하게 장착되도록 상기 영구자석 조립체의 타단부 위치의 지지테이블에 설치되는 제2 지지체를 포함하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 영구자석 및 어댑터로 이루어진 모듈은
상기 빌렛 방향으로의 자기장의 밀도를 높이기 위하여 영구자석(N-S)-어댑터-영구자석(S-N)-어댑터-영구자석(N-S) 패턴으로 구성되거나, 영구자석(N-S)-어댑터-영구자석(N-S)-어댑터-영구자석(N-S) 패턴으로 구성되는 조립체로 구성된,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 지지체는
조립체 하우징 사이에 공기층을 제공하는 강제 및 자연 냉각 장치; 및
냉각과 온도 차에 의하여 발전 하는 열전 발전 장치를 포함하는
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 지지체는
상기 구동 모터가 장착되는 제1 지지대; 및
상기 빌렛의 일단부를 고정하기 위한 제1 물림척을 더 포함하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제2 지지체는
제2 지지대;
상기 빌렛의 타단부를 고정하기 위한 제2 물림척; 및
상기 제2 물림척과 상기 제2 지지대 사이에 회전 가능하게 장착되는 제2 베어링을 포함하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 구동 모터는
상기 제1 물림척이 장착되는 구동 회전체에 구동력을 직접 전달하는 중공형 회전 모터이거나, 상기 구동 회전체에 빌렛이 삽입될 수 있는 홀을 제공하며, 벨트, 체인 또른 기아를 통해 구동력을 간접 전달하는 구동 액츄에이터를 갖춘,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치.
클램핑된 빌렛의 회전시, 빌렛의 회전 속도를 제어하는 영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법에 있어서,
회전하는 빌렛의 진동을 측정하는 단계;
측정된 진동을 이용하여 빌렛의 궤적을 연산하는 단계;
연산된 빌렛의 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하는 단계;
빌렛의 회전이 비 정상인 것으로 진단되면, 빌렛의 회전을 정지시키는 단계;
회전하는 빌렛의 온도를 측정하는 단계;
측정된 온도가 기 설정된 적정 온도에 도달되는지 여부를 판단하는 단계; 및
빌렛의 온도가 적정 온도를 도달된 것으로 판단되면, 빌렛의 회전을 정지시키는 단계를 포함하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 빌렛의 회전이 정상인지를 진단하는 단계는
산출된 회전 궤적을 기 설정된 정상 궤적에 기초하여 불균형에 대한 감지와 회전에 따른 위험 속도를 회피하고, 진동의 수렴도를 예측하는,
영구자석을 이용한 빌렛 가열 장치의 회전 속도 제어 방법.