KR970011547B1

KR970011547B1 - 전력 출력을 정확하게 제어하여 기계 부품을 유도 경화시키는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR970011547B1
Application number: KR1019930700353A
Authority: KR
Inventors: 엠. 스톰 죤; 엘. 깁스 스펜서
Original assignee: 컨투어 하드닝 인코포레이티드; 제임스 티. 사케이
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1997-07-11
Also published as: AU649062B2; EP0542813A4; RU2113773C1; DE69118699D1; WO1992003026A1; JPH06500150A; BR9106736A; EP0542813A1; EP0542813B1; CA2046851A1; JP2885511B2; ATE136721T1; AU8309291A; DE69118699T2; CA2046851C

Abstract

없음

Description

전력 출력을 정확하게 제어하여 기계 부품을 유도 경화시키는 장치 및 방법

제1도는 본 발명에 따른 유도경화 시스템의 일반적인 실시에의 불럭도.

제2도는 SCR의 게이트에 공급된 특정 입력 상태에 관한 SCR의 작동 또는 "온" 상태에서의 변화를 보여주는 타이밍도.

제3도는 종래의 장치와 비교하여 본 발명의 전력 스위칭 SCR 회로에 의해 발생된 전력 출력 신호들의 편차(deviation)를 나타낸 그래프도.

제4도는 본 발명에 따른 유도 경화 시스템의 다른 실시예의 블럭도.

관련 출원에 대한 언급

본 출원은 동일한 발명적 실재에 의한 현재 출원 계속 중인 발명의 명칭이 "전력 출력을 정확하게 제어하여 기계 부품들을 유도 경화시키는 장치 및 방법"인 미국 특허 출원 제87/563,398호(1990년 8월 6일 출원)의 일부 계속 출원이다.

발명의 배경

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 유도 가열(induction heating) 기술에 관한 것으로, 특히 기어와 같은 기계 부품을 표면 경화(case-hardening)시키는 유도 가열 장치의 이용에 관한 것이다.

기어, 스플라인축, 스프로킷(sprocket) 등과 같은 기계 부품들을 조종 큰 토크 부하, 마찰 마모 및 충격 하중을 받게 된다. 이같은 형태의 기어들은 보통 동력 전달 구동 트레인에서 사용된다. 이와 같은 기계 부품을 유도 경화시키는 장치 및 방법에 대해서는 스토름(storm) 등의 미국 특허 제4,845,328호에 공개되어 있는데, 이 특허의 내용은 참고로 본 명세서에 설명되어 있다. 스토름 등의 특허와 본 출원은 동일 양수인인 인디아나주의 인디아나폴리스시에 거주하는 컨튜어 하드닝 인코포레이트의 소유이다.

당업게에 잘 알려져 있는 바와 같이, 톱니를 경화시키는 공지된 장치는 유도 가열용 2중 주파수 장치를 포함하고 있는데, 이 장치에서는 먼저 저주파 전류가 톱니를 예열(preheating)시키고 그 다음 고주파(무선주파수) 전류가 톱니를 담금질 경화(quench hardening)시키기 전에 마무리 가열시킨다. 2중 주파수 유도 경화 개념은 1987년 6월에 발견된 가열 처리 장치(Heat Treating Magazine)의 Vol. 19, No. 6에 실린 논문 "2중 주파수 방법에 의한 유도 기어 경화"에 기재되어 있다.

이 논문에서 설명된 바와 같이, 2중 주파수 가열법은 고주파 및 저주파 가열원을 이용한다. 기어는 먼저 톱니를 예열시키는데 필요한 에너지를 공급하기 위해 비교적 낮은 주파수원(3-10KHz)으로 유도 가열된다. 이 단계 다음에는 통상 100-300KHz의 고주파원으로 유도 가열되는데, 주파수는 기어 크기 및 톱니의 지름 피치에 따라 차이가 난다. 고주파원은 전체 톱니 윤곽 표면을 표면 경화 온도로 신속히 마무리 가열시킬 것이다. 그 다음 기어는 원하는 경도로 담금질되고 불림(temper)된다. 유도 가열은 철합금 기어를 가장 빠르게 가열시키는 공지된 방법이다. 일부 응용에서는 마무리 RF가열보다 먼저 예열 저주파 가열 공정이 앞선다. 고주파 RF 가열 단계에서의 가열 시간은 통상 0.10 내지 2.0초이다. 유도 가열에 있어서, 기어는 스핀들상에 장착되어 유도 가열 코일 내에 위치되어 있는 동안 회전된다. 강력한 짧은 펄스가 유도 가열 코일에 공급되어 톱니를 최적으로 마무리 가열한다. 다음, 이 기어는 수동 또는 자동으로 물을 주용제로 한 담금질 용액(water-based quench) 내로 이동된다. 유도 경화는 단지 필요한 정도의 열만을 그 기어 내에 가하기 때문에, 표면 깊이 조건(case depth requirements)과 왜곡 명세(distortion specifications)에 아주 정확하게 맞추어진다.

유도 가열 공정 내에서는, 2중이거나 단일 주파수이던 간에, 그리고 부품의 형태나 지료에 상관없이, 부품 특성은 유도 가열 코일 또는 코일들과 가장 적합한 기계 설비를 어떻게 최적으로 설계하느냐에 따라 좌우된다. 특히 마무리 가열을 실행하기 위해 고주파 전력 신호가 유도 가열 코일에 공급되는 시간은 가장 중요한 변수이다. 기어를 경화시키는데 필요한 열량은 전력신호가 유도 가열 코일에 공급된 시간에 직접 비례한다.

종래에는 당업계에 상술한 바와 같이 유도 가열 코일에 전력을 공급하는 데는 2가지 시스템이 잘 알려져 있다. 첫번째 시스템은 "고체 상태(solid state)" 발생기 방식으로 당업계에 알려진 것을 이용하는데, 이 방식에서는 바이폴라 또는 CMOS와 같은 트랜지스터로 된 고전력 중폭 장치가 고주파 RF 발생기에 이용되어 유도 가열 코일에 고주파 오실레이터 신호를 공급한다. 다른 방식으로는 진공관 RF 발생기와 싸이리스터형(thyristor type)장치를 이용하여 고주파, 고전력 진공관 발진기 회로에 전력을 공급 또는 차단하는 것이 있다. 오실레이터 회로 각각의 출력은 변압기를 통해 유도 가열 코일에 공급된다. 당업계에서 표면 경화 금속 구조물을 위해 설계된 유도 가열 코일 기계 분야의 일부 전문가들은 유도 가열 코일에 전력 전달 시간을 정확하게 제어하는데 있어 지금까지는 고체 상태 고주파 RF 발생기를 선호하였다. 진공관 R 발생기는 통상 입력 전력을 수신하는데, 이 입력 전력은 실리콘 제어 정류기(SCR)와 같은 싸이리스터 장치의 온/오프 타이밍 특성에 종속된다. SCR은 또한 역류 방지 삼극 진공관 싸이리스터(reverse blocking triode thyristor)로서 JEDEC 로도 표현된다. SCR에 의해 발생되는 전력 전달 타이밍 변화는 이와 같은 장치의 동작에 있어서 본질적인 것이다. 상세하게로는, SCR 이 일부 싸이클에서 동작 상태로 되면, 게이트에 공급된 온/오프 신호가 제거 또는 해제되더라도 SCR은 아노드-캐소드 단자가 양전압으로 바이어스되어 있기만 하면 계속 전류를 흘릴 것이다. 60-싸이클 전력 신호가 SCR에 의해 전달되는 최악의 경우에 있어서는, 60 싸이클 파형의 절반이 8.33 밀리초 지속되기 때문에 SCR에 의해 전송된 부가적인 전력 신호는 8밀리초를 초과하게 된다.

유도 가열 분야의 일부 당업자들은 유도 가열 코일에 전력을 공급하는데 있어 전력 전달 특성 곡선이 좋은 진공관 RF발생기를 선호한다. 게다가 SCR은 반복된 고전력 스위칭 회로를 선택할 수 있는 장치이므로, 고전력 진공관 RF 발생기에 규정량의 전력을 전달하기 위해 SCR를 정확하게 제어하는 기술이 필요하다.

실리콘 제어 정류기 전원 장치의 지속(timed) 전력 출력을 더욱 정확하게 제어하는 방법 및 장치는 표면 경화 장치에 이용되는 유도 가열 코일에 공급된 전력 신호를 정화하게 제어하는 것이 필요하다.

발명의 개요

본 발명에 따라서, 전력 출력을 정확하게 제어하여 기계부품을 유도 경화시키는 장치는, AC 전력 신호를 발생시키지 AC 전력원과, 이 AC 전력원에 연결되어 AC 전력 신호의 영교차(zero crossing)를 검출하여 이에 대응하는 영교차 신호를 발생시키는 영교차 검출기 수단과, 전력 입력부와 이 전력 입력부에 공급된 신호에 응답하여 고주파, 고전력 신호를 발생시키는 출력부를 구비한 고주파 발생기와, 상기 발생기의 출력부에 기어 크기에 맞게 연결되어 기어를 통해 고주파 전기 신호를 발생시키는 고주파 유도 가열 코일과, 동작 입력부와 상기 AC 전력원에 연결된 전력 입력부와 그리고 전력 출력부를 구비하여 상기 동작 입력부에 공급된 신호에 응답하여 상기 전력 출력부에서 AC 전력 신호를 발생시키는 싸이리스터 전력 스위칭 수단과, 그리고 상기 영교차 검출기와 상기 싸이리스터 전력 스위칭 수단의 동작 입력부에 연결되어 동작 시간을 계산하여 대응하는 동작 신호를 상기 동작 입력부에 공급하는 프로세서 수단으로 이루어져 있으며,

상기 프로세서 수단은, 1) 원하는 동작 시간을 입력시키는 수단, 2) 동작 시간과 지연 시간의 합이 AC 전력 신호 주기의 최소 전체 정수배에 해당하도록 지연 시간을 계산하는 수단, 그리고 3) 사용자가 공급하는 수동 싸이클 기동 입력 신호를 수신하는 수단을 포함하고, 상기 프로세서는 영교차 신호의 검출에 의해 싸이클 기동 입력 신호에 응답하여 상기 동작 입력부에 동작 신호를 공급하기 전에 지연 시간에 해당하는 만큼의 기간을 지연시켜 동작 신호가 상기 AC 전력 신호의 후속하는 영교차와 거의 동시에 소멸되게 한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 유도 경화 장치는, AC 전력 신호를 발생시키는 AC 전력원과, 상기 AC 전력 신호의 소정 위상각을 검출하여 검출기 신호를 발생시키는 검출기 수단과, 전력 입력부와 전력 출력부를 구비하여 상기 전력 입력부에 공급된 전력 신호에 응답하여 상기 전력 출력부에서 고주파 고전력 신호를 발생 시키는 고주파 발생 수단과, 상기 전력 출력부에 연결되어 상기 고주파 고전력 신호에 응답하여 고주파 전자기 신호를 방출하는 고주파 유도 가열 코일과, 상기 AC 전력 신호에 연결되어 동작 입력부를 포함하여 상기 동작 입력부에서의 신호 수신에 응답하여 상기 전력 입력부에 상기 AC 전력 신호를 공급하는 전력 스위칭 수단과, 그리고 상기 검출기 신호에 응답하여 소정 기간 지속되는 동작 신호를 상기 동작 입력부에 공급하는 타이머 회로 수단을 포함한다.

본 발명의 또다른 양상에 따라서, AC 전력원과, 전력 입력부를 구비한 고주파 발생기와, 그리고 고주파 유도 가열 코일을 포함하는 유도 경화 장치에 공급된 전력을 정확하게 제어하는 방법은, 상기 AC 전력원의 소정 위상각을 검출하는 단계와, 상기 소정 위상각의 검출에 응답하여 소정 기간 동안 상기 고주파 발생기의 전력 입력부에 상기 AC 전력원을 연결시키는 단계로 구성된다.

본 발명의 또다른 양상에 따라서, 고주파 유도 가열 코일의 전력 전달을 정확하게 제어하는 유도 경화 장치는, AC 전력 신호를 발생시키는 AC 전력원과, 상기 AC전력 신호의 소정 위상각의 검출에 응답하여 제1신호를 발생시키는 제1회로 수단과, 작동시에 기동 신호를 발생시키는 스위치 수단과, 동시 발생하는 상기 제1신호와 상기 기동 신호에 응답하여 소정 기간 지속되는 동작 신호를 발생시키는 제2회로 수단과, 전력 입력부를 구비하여 이 전력 입력부에 공급된 신호에 응답하여 고주파 고전력 신호를 발생시키는 고주파 발생기 수단과, 그리고 상기 AC 전력에 연결되어 상기 소정 기간 지속되는 동작 응답하여 상기 AC 전력 신호를 상기 고주파 발생기에 공급하는 전력 스위칭 수단으로 이루어져 잇다.

본 발명의 일목적은 개선된 유도 경화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유도 경화 장치의 유도 가열 코일에 공급된 전력 신호를 더욱 정확하게 제어하여 공급 전력을 정확하게 따라서 표면 경화 중에 기어 가열을 정확하게 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 더 정밀한 고전력 스위칭 회로를 제공하여 전체 전력 출력 신호가 아주 정확하게 제어될 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 이들 및 기타 목적은 이하에서 바람직한 실시예의 설명으로부터 더욱 명료해질 것이다.

바람직한 실시예의 설명

본 발명의 원리에 대한 이해를 돕기 위해서 참조 부호가 도면 상의 실시예에 사용되고 규정 용어는 동일한 것을 나타내는데 사용된다. 그럼에도 불구하고 이것은 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니며 예시된 장치의 변경 및 수정, 그리고 본 발명의 원리의 다른 용융은 본 발명이 관련된 당업계의 전문가에는 용이할 것임을 알려둔다.

제1도에서는 본 발명에 따른 유도 경화 시스템(10)이 도시되어 있다. 스위치(SW1)는 시스템 프로세서(12)에 동작 신호를 공급하여 기어의 표면 경화를 개시한다. 시스템 프로세서(12)는 유도 가열 코일에 공급되는 전력 신호를 제어하기 위해 타이밍 변수로 사용자에 의해 프로그램되어 있다. 프로세서(12)는 온/오프 전력 스위칭 신호를 전력 스위칭 SCR 회로(14)에 공급한다. 시스템 프로세서(12)는 영교차 검출기(16)로부터 영교차 표시기 입력 신호를 수신한다. 3b 고전압 전력원(18)으로부터의 한 위상 b₁이 영교차 검출기(16)의 입력부에 공급된다. 3b 고전압 전력원(18)은 전력 스위칭 SCR 회로(14)에 3가지 위상의 고전압 전력을 공급한다. 전력 스위칭 SCR 회로(14)는 작동시에 승압 변압기(22)의 1차 권선에 반파나 전파 AC 전력를 공급한다. 변압기(22)는 통상 480볼트의 3가지 위상 신호인 AC 전력들(b₁,b₂,b₃)을 충분히 높은 전압 레벨로 승압시켜 정류기 및 필터(24)가 그 출력부에서 24,000볼트의 DC 신호를 발생시킬 수 있게 한다.

정류기 및 필터(24)의 출력부에서의 24,000볼트 DC 신호는 진공관형 고에너지 RF 오실레이터(26)를 위한 전력원이다. 고에너지 오실레이터(26)의 출력은 권선(29)을 통해 유도 가열 코일(28)에 AC 연결된다. 유도 가열 코일(28)은 RF 신호가 그 입력부에 공급될 때 기어(30)의 톱니에 표면 경화 가열 신호를 공급한다.

시스템(10)의 구성부들(22,24,26)은 고주파, 고전력 RF 발생기인 RF발생기(20)의 구성부이다. RF 발생기 발생기(20)는 위스콘신(Wisconsin) 53051, 메노모니 폴즈, N92 W15800 메갈 드라이브(Megal Drive)에 거주하는 필러 인더스트리즈 인코포레이티드(Pillar Industries, Inc.)에 공급된 오프 더 셀프 시스템(off-the-self system)이다. RF 발생기(20)는 "450/600 킬로와트 RF 발생기"라고도 한다.

기어(30)의 특정한 기하학적 모양 및 물리적 특성들은 전력 스위칭 SCR 회로(14)가 기어를 적절히 표면 경화시키기 위해 시스템 프로세서(12)에 의해 "동작 상태(turn on)"로 되는 정확한 시간량에 좌우된다. 어떤 경우에 있어서는, 기어(30)의 소망하는 가열 및 표면 경화를 이루기 위해서 SCR 회로(14)가 동작 하는 상태에 있는 시간량은 0.10초 정도의 기간이다. 이와 같은 상황을 기억하고 있으면, 영교차 검출기(16)를 갖고 있지 않은 종래의 장치가 유도 가열 코일(28)에 공급되는 전력 신호 또는 전체 전력량을 정확하게 제어할 수 없는 이유를 쉽게 이해할 수 있다.

본 발명의 시스템 프로세서(12)는 통상적으로 적당한 기억 및 계산 능력을 갖춘 컴퓨터와, CRT/키보드 장치와 같은 프로그래밍 입력 장치를 포함한다. 게다가 프로세서(12)는 제어 프로그램을 기억 및 재현시키는데 이용되는 플로피 또는 하드디스크 드라이브와 같은 대용량 기억 장치를 갖고 있다. 동작에 관해 설명하자면, 조작자는, 고정된 량의 고주파 전력 신호를 유도 가열 코일(28)에 공급하기 위해 전력 스위칭 SCR회로(14)가 동작할 정확한 시간인 특정의 "온-오프" 또는 가열 시간 동안 키보드를 통해 시스템 프로세서(12)를 프로그램한다. 이 프로그램된 "온-타임" 정보에 응답하여, 시스템 프로세서(12)는 8.33 밀리초(60Hz 파형의 주기)에 의해 나누어진 '온-타임" 간의 차이와 동일한 규정 "온-타임" 동안의 보충치를 계산할 것이다. 이 계산치의 나머지는 8.33밀리초로부터 검산되어 지연 시간으로서의 시간치를 산출한다. 프로세서(12)는 검출기(16)의 입력부에 나타나는 60Hz 신호의 영교차를 검출한 후 전력을 RF 발생기에 공급하기 위해 SCR 회로(14)를 작동시키기 전에 상기 지연 시간만큼 지연되어야 한다. 시간 지연은 SCR 장치에 대한 도통 주기의 끝이 영교차 검출기(16)의 입력부에 공급된 전력 신호 b₁의 영교차에 정확히 또는 바로 직전에 해당하도록 계산된다. 그러므로 애노드-캐소우드 단자가 전방으로 바이어스되는 한 도통 상태를 유지하고 있는 SCR은, 시스템 프롯서(12)가 SCR 회로(14)의 입력부가 동작하지 못하게 하므로 SCR 회로(14)의 동작을 중지시키는 신호를 SCR 회로(14)에 보낸 후의 대체로 1주기 시간 동안은 도통 상태를 유지하지 못할 것이다.

SCR 회로(14)가 반파 또는 전파 3b 출력 신호를 변압기(22)에 공급할 수 있음은 당업계에 잘 알려져 있다. 상기 신호가 성질상 반파일 경우에는 상술한 인자(8.33밀리초)에 대한 분할은 16.67밀리초가 되고 나머지는 16.67초로 감산된다. 게다가, 반파 출력 SCR 회로를 동작시키기 위한 적당한 타이밍 기준점을 결정하기 위해 부경사(negative-slope) 영교차가 검출되어야 한다. 그러므로 원하는 "온-타임"은 16.67에 의해 나누어지고, 그 나머지는 16.67로부터 감산된다. 감산 결과는 전력 신호의 부경사 영교차 후 반파 출력으로 SCR 회로(14)를 동작시키기 전에 요구되는 지연 기간이다. SCR 회로(14)의 나머지 위상(b₂,b₃)이 회로(14)의 입력부가 비동작 상태로 된 후 "온" 상태로 유지될 수 있어도, 상기 기술은 SCR 회로(14)로부터 정확하고 반복 가능한 전력 출력을 발생시킨다.

제2도에서는 특정 게이트 신호 상태에 관한 SCR의 "온" 상태 즉 동작 상태에서의 변화를 보여주는 타이밍도가 도시되어 있다. 곡선(40)은 검출기(16)의 입력부에서의 b₁신호를 나타내는 표준 사인파 전력 신호이다. 곡선(40)은 시간에 관해 도시된 60Hz 신호이다. 곡선들(42,46)은 시스템 프로세서(12)에 의해 발생되어 SCR 회로(14)의 게이트 입력부에 공급되는 신호이다. 상기 곡선들(42,46)은 경화될 특정 기어(30)에서 소정량의 열을 발생시키는데 요구되는 "온 타임"이다.

회로(14)는 곡선(42)의 오프-온 전이 시점에서 전력 신호를 발생기(20)에 공급하기 위해 작동된다. 곡선(42)의 "온-타임"의 끝, 즉 시간 T_D에서, 신호는 "온" 상태에서 "오프" 상태로 변한다. 온-오프 전이의 정확한 타이밍은 곡선(40)의 영교차 근처에서는 일어나지 않는다. 곡선(42)으로 표시된 작동 신호는 시간 T_C에서 영교차될 때까지 "오프" 상태로 복귀하지 않으므로, RF 발생기(20)에 공급되는 곡선(44)으로 표시된 전력 신호는 시간 Te까지 계속 "온" 상태로 된다. 곡선(42)의 온-오프 전이 후 8.33밀리초 정도 동안 "온" 상태가 된다. 그러므로, 시스템 프로세서(12)에 의해 발생된 온 신호는 시간 T_B에서 시작하여 시간 T_D까지 유지된다면, RF 발생기에 공급된 전체 전력 신호는 그래프 상에서 시간 T_B부터 시간 T_E까지 전체 기간 T₂동안 유지될 것이다.

유도 가열 코일에 공급되는 전력을 정확하게 제어하기 위하여, 따라서 유도 경화 공정을 정확하게 제어하기 위하여, 본 발명에 따른 시스템은, 곡선(46)으로 표시된 SCR 동작 신호가 곡선(40)의 영교차에서 또는 바로 직전에 "온" 상태를 "오프" 상태로 변화되도록 SCR 회로(14)를 작동시키기 위해 영교차(여기서는 T_O에서의 영교차) 이후에서의 시간 지연을 계산한다. 예를 들어, SCR 회로를 스위치시키는 곡선(42)으로 표시된 게이트 온-타임 입력 신호와 비교하여 부가적인 전력 신호(44)의 "온-타임"을 제거하기 위하여, 시스템 프로세서(12)는 시간 T₃를 계산할 것인데, 이 시간 T₃는 소망하는 "온-타임" T₁을 8.33밀리초로 나누어 그 나머지를 8.33밀리초로부터 감산하여 나온다. 그 다음, 시스템 프로세서는, "온-타임" 지속 기간 동안 곡선(42)과 완전 일치하여 동시 발생하는 동작 곡선(46)이 전력 신호 곡선(40)의 영교차에 해당하는 시간 T_c에서 "온"을 "오프"로 변화되도록 영교차 후의 T₃기간만큼 SCR 회로(14)의 동작을 지연시킨다.

곡선(46)은 시간 T_c에서 영교차에 아주 밀접하게 관련되어 있으므로, SCR 회로(14)의 "온 타임"의 정확한 량을 얻을 수 있다. 따라서, 전력이 RF 발생기(20)에 공급되는 시간을 지금까지 SCR 회로에서 달성못했던 정밀성을 갖고서 정확하게 제어할 수 있다. 그렇게 되면, 유도 가열 코일(28)에 공급되는 전력량은 정확하게 제어된다. 그러므로, 일부 당업자들이 고체 상태 반도체형 고주파 RF 발생기보다 더 선호하는 관형 RF 발생기는 유도 가열 코일(28)에 공급되는 전력 신호량 따라서 전력량을 정확하게 발생시키는데 사용될 수 있다.

전력원(18)의 한 위상(b₁)만이 제2도에 도시되어 있지만, 당업자에게는 3b 시스템에서 3가지 위상 모두가 120°의 위상 관계가 있음이 자명할 것이다. 그러므로, 부가적인 전력 신호의 고정량은 곡선(46)으로 표시된 동작 신호로 시간 T_c이후에 전력원(18)의 다른 위상들(b₂,b₃)에 의해 공급된다. 그럼에도 불구하고, 이 다른 2개의 위상들에 의해 공급된 부가적인 전력은 비동작 신호가 상기 다른 전력 위상에 관련된 소정 시간 및 위상에서 발생되기 때문에 일정한 량이 될 것이다. 그러므로, 시스템(10)에 의해 기어(30)에 공급되는 전력량은 3b 전력원을 온 및 오프 스위칭하기 위한 고정 타이밍 기준(한 위상에 대해서)을 설정함으로써 반복될 수 있다.

제3도에서는, RF 발생기(20)의 전력 출력 그래프가 도시되어 있다. 곡선(50)으로 표시된 발생기(20)의 최대 전력 출력은 전체 순간 전력 출력을 더 높이거나 더 낮추기 위해 수직적으로 조정될 수 있다. SCR 회로의 본래적인 기능의 결과로서 나타나는 시간 T₁및T₂로 표시된 "온 타임"에서의 변화는 그래프 하단에 도시되어 있다. SCR 회로가 원하는 "온 타임"인 T₁이 아닌T₂기간 동안 온 상태를 유지한다면, 곡선(50)아래의 빗금부분(52)으로 표시된 부가적인 전력이 곡선(50) 아래의 빗금이 없는 부분으로서 시간 T₁끝에까지 이르는 실제 원하는 전력에 부가하여 가열 코일(28)에 공급된다. 유도 가열 코일(28)에 공급된 이 부가적인 전력량은 기어(30)를 과잉 가열 시킨다.

제3도의 그래프에서 보는 바와 같이, 표면 경화 공정 중에, 특히 "온 타임" T₁이 대략 0.10초일 때 타이밍 변화가 크게 일어난다. 시간 T₂와 T₁간의 최대차는 8.33밀리초 정도가 될 수 있으므로, 영역(52)으로 표시된 전력은 0.10초 전력 신호가 유도 가열 코일(28)에 대해 요구될 때 유도 가열 코일(28)에 공급된 전력에서의 8-10% 차이 정도를 나타낼 수 있다. 또 인식된 사실은 기어(30)가 일단 가열되고 나면, 영역(52)으로 표시된 부가적인 가열 시간이 기어 열을 크게 증가시킬 수 있다는 것인데, 이것은 기어의 열 전달 특성이 비선형으로서 기어의 주변이 일단 가열되면 기어 표면으로부터 내부로 깊이 열이 전달되기 때문이다. 그러므로, 상술한 기술을 통해, 유도 가열 코일(28)에 공급되는 전력을 제어할 필요성이 절실하다.

제4도에서는 본 발명에 따른 유도 경화 시스템(110)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 스위치(SW2)는 단일 펄스 타이머 회로(116)에 리세트/기동 신호를 공급한다. AC 전력원(118)은 위상각 검출기(112)와 전력 스위칭 장치(114)에 AC 신호를 공급한다. 위상각 검출기(112)는 단일 펄스 타이머 회로(116)의 입력부에 일련의 펄스를 공급한다. 검출기(112)로부터의 각각의 펄스는 전력원(118)으로부터의 AC 전력 신호의 소정 위상각의 검출에 대응한다. 스위치(SW2)로부터 리세트/기동 신호를 수신하게 되면, 단일 펄스 타이머 회로(116)는 검출기(112)로부터의 후속 펄스에 의해 트리거 또는 작동되어 소정 지속 기간을 가진 펄스 또는 신호를 발생시킨다. 소정 지속 기간 펄스는 전력 스위칭 장치(114)를 작동시킨다. 그러므로, 스위치(SW2)를 닫음으로써 시작되는 가열 사이클의 개시는 소정 위상각이 위상각 검출기(112)에 의해 검출될 때까지 지연된다. 위상각 검출기(112)는 AC 전력원(188)으로의 전력 신호의 소정 위상각을 검출하기 위해 위상 검출기 수단을 제공한다.

이전의 실시예에서 처럼, RF 발생기(120)는 전력 스위칭 장치(114)로부터 전력 신호를 수신하여 이에 응답하여 고주파, 고전력 신호를 권선(129)을 통해 유도 가열코일(128)에 공급한다. 권선(129)은 RF 발생기(120)의 출력단과 유도 가열 코일(128) 간에 임피던스 정합을 제공한다. 전원 장치로는 단일 위상 및 복수위상 전원이 사용될 수 있다.

위상각 검출기(112)로는 아리조나주, 휘닉스시에서 거주하는 모토로라 인코포레이티에 의해 제조된 트라이액 위상각 제어기 파트 No. TDA1185A가 사용된다. TDA1185A 장치는 AC 신호의 소정 위상각의 검출에 대응하는 출력 신호를 발생시키기 위해 프로그램될 수 있다. 이 소정 위상각은 소망하는 도통각(conduction angle)을 표시하는 외부 세트 전압에 따라서 TDA1185A에 따라 변화될 수 있다(아래의 신호 제어에 관한 설명 참조). TDA1185A 장치는 AC신호의 포지티브(positive) 부분상에 만의 점호각(firing angle)들을 검출하기 때문에, AC 신호의 네가티브(negative) 부분상의 점호각이 요구될 경우에는, 반전 연산 증폭기가 AC 전력원과 위상각 검출기(112)에 삽입되어 AC 전력을 반전시킬 수 있어, 이에 따라 입력 신호를 위상각 검출기(112)에 공급되어 AC 신호의 네가티브부에서 동작이 실행될 수 있게 된다.

신호 펄스 타이머 회로(116)로는 텍사스 인스트루먼트사에서 제조한 재트리거 가능한 단안정 멀티바이브레이터 집적 회로 파트 No.74LS123을 사용한다. 74LS123은 상승 에지(rising-edge) 트리거된 장치이다. 따라서 위상각 검출기(112)에 의해 발생된 펄스들은 타이머 회로(116)로부터의 출력 펄스 발생을 트리거하는데 사용될 수 있다. 스위치(SW2)에 의해 발생된 신호는 재트리거(retrigger), 인에이블 또는 재무장된(rearming) 신호를 타이머 회로(116)에 공급한다. 74LS123 장치는 1밀리초 이하에서 수시간 정도의 긴 지속 기간을 가진 출력 펄스를 발생시키도록 만들어질 수 있기 때문에, 위상각 검출기(112)와 타이머 회로(116)의 조합은 규정된 지속 기간 전력 신호를 RF 발생기(120)에 공급하는데 요구되는 상술한 조건에 따라서 전력 스위칭 장치(114)에 필요한 타이밍 기능을 자유자재로 제어할 수 있다.

파선들(132,134)로 표시된 선택적인 제어 신호들은 위상각 선택 및 펄스폭 지속 기간 신호들을 검출기(112) 및 회로(116)에 각각 공급한다. 상세하게로는 신호 통로(134) 상에서 검출기(112)의 입력부에 공급된 위상각 제어 신호는 선택 정보를 검출기(112)에 공급한다. 검출기(112)는 신호 통로(134) 상의 신호에 응답하여 신호 통로(134) 상의 신호에 의해 설정된 소망하는 위상각의 발생에 맞추어 대응하는 출력 펄스를 발생시킨다. 마찬가지로, 신호 통로(132) 상의 지속 기간 제어 신호는 회로(116)에 의해 발생된 펄스의 시간 지속을 제어한다. 신호 통로(132) 상의 신호는 통상적으로 그와 같은 회로에 잘 알려진 감쇄(decaying) 신호를 설정하는 전위차계/커패시터 조합을 통해 이용된다.

제4도의 장치(110)는 제1도의 장치(10)의 구성 구분과 동일한 몇가지 구성부분을 포함한다. 특히 AC 전력원(118)은 3가지 위상 고전압 전력원(18)과 일치하고, 전력 스위칭 장치(114)는 전력 스위칭 SCR 회로(14) 와 일치하고, RF 발생기(120)는 RF 발생기(20)와 일치하고, 유도 가열 코일(128)은 유도 가열 코일(28)과 일치하고, 그리고 기어(130)는 기어(30)와 일치한다. 트라이액 또는 실리콘 제어 정류기(SCR)를 블럭(114)의 전력 스위칭 장치로서 사용된다.

동작에 관해 말하자면, 위상각 검출기(112)의 출력부에서 발생한 펄스들은 제2도의 시간선 T_B로 표시된 AC 신호의 소정 위상각과 맞추어져 일치한다. 마찬가지로, 타이머 회로(116)에 의해 발생된 출력 펄스는 시간 T₂와 일치할 것이다. 그러므로, 타이밍 및 전력 출력을 정확하게 제어하여 AC 전력원에 전압을 가하는데 있어서의 난점들은 제1도의 실시예에 의해 극복된다. 이 실시예에서는, 영교차 후의 시간 지연이 전력 신호의 온 타임을 결정하는데 이용되고, 제4도의 실시예에서 처럼, 특정 위상이 검출되어 동작 신호가 전력 스위칭 장치를 동작시키는데 요구되는 시점을 결정한다. 본 발명의 2가지 실시예에서, AC 전력 신호에 관련된 소정 타이밍 기준점은 전력 스위칭 장치의 동작 전에 위치 설정 또는 검출되어, 전력 스위칭 장치가 통상적으로 대부분의 싸이리스터 경우에서는 영교차 시점이 되는 정확한 소정 시간에서 동작하지 않도록 전력 신호의 후속하는 영교차와 동시에 또는 그전에 사라질 동작 신호를 발생시킨다.

대안으로서, 위상각 검출기(112)와 타이머 회로(116)는 마이크로컴퓨터가 내장된 제어기(도시되어 있지 않음)의 일부로서 또한 생각할 수도 있다. 이 제어기에서는 A/D 변환기(도시되어 있지 않음)가 전력원(118)으로부터의 신호의(위상각과 일치하는) 진폭을 모니터하는데 이용된다. 더우기, 사용자는 스프트웨어를 변경시켜 전력 스위칭 장치(114)에 공급된 제어 펄스의 폭과 검출된 소망 위상각을 제어할 수 있다.

지금까지 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명을 설명해 왔지만, 이 설명은 예시적일 뿐 본 발명은 이 설명에 한정시키려고 하는 것은 아니다. 그러므로 본 발명의 시상 내에 들어오는 모든 변경 및 수정도 보호받아야 한다.

Claims

AC 전력 신호를 발생시키는 AC 전력원과; 상기 AC 전력원에 연결되어 AC 전력 신호의 영교차를 검출하여 이에 대응하는 영교차 신호를 발생시키는 영교차 검출기 수단과; 전력 입력부와 상기 입력부에 공급된 신호에 응답하여 고주파 고전력 신호를 발생시키는 출력부를 구비한 고주파 발생기와; 상기 발생기의 상기 출력부에 기어 크기에 맞게 연결되어 기어를 통해 고주파 전기 신호를 발생시키는 고주파 유도 가열 코일과; 동작 입력부와, 상기 AC 전력원에 연결된 전력 입력부 및 전력 출력부를 구비하여, 상기 동작 입력부에 공급된 신호에 응답하여 상기 고주파 발생기의 상기 전력 입력부에 AC 전력 신호를 공급하는 싸이리스터 전력 스위칭 수단 및 상기 영교차 검출기와 상기 싸이리스터 전력 스위칭 수단의 동작 입력부에 연결되어 동작 시간을 계산하여 대응하는 동작 신호를 상기 동작 입력부에 공급하는 프로세서 수단을 포함하고, 상기 프로세서 수단은, 1) 원하는 동작 시간을 입력시키는 수단과; 2) 상기 동작 시간과 지연 시간의 합이 상기 AC 전력 신호 주기의 최소 전체 정수배에 해당하도록 지연 시간을 계산하는 수단 및; 3) 사용자가 공급하는 수동 싸이클 기동 입력 신호를 수신하는 수단을 포함하고, 상기 프로세스는 영교차 신호의 검출에 의해 사이클 기동 입력 신호에 응답하여 상기 동작 입력부에 동작 신호를 공급하기 전에 상기 지연 시간에 해당하는 만큼의 기간을 지연시켜 상기 동작 신호가 상기 AC 전력 신호의 후속하는 영교차와 거의 동시에 소멸되는 것을 특징으로 하는 유도 경화 장치.
AC 전력원과, 동작 입력부를 구비하여 이 동작 입력부에 나타나는 신호에 응답하여 전력 신호를 발생시키는 싸이리스터 전력 스위칭 수단과, 상기 전력 신호에 응답하여 고주파 고전력 신호를 발생시키는 RF 발생기 및 상기 RF 발생기에 접속되어 상기 고주파 고전력 신호에 응답하여 기어에서 전기 신호를 발생시키는 유도 가열 코일을 포함하는 유도 경화 장치로부터 기어의 가열을 정확하게 제어하는 방법에 있어서, 기어의 형상에 따라서 상기 유도 가열 코일에 전력을 공급하기 위해 원하는 동작 시간을 결정하는 단계와; 상기 AC 전력 공급 신호 주기의 절반으로 상기 원하는 동작 시간을 분할하여 나머지 량을 산출하는 단계와; 상기 나머지 량을 상기 AC 전력 공급 신호 주기의 절반으로부터 감산하여 지연 시간을 산출하는 단계와; 상기 AC 전력 공급 신호의 영교차를 검출하는 단계 및 상기 지연 시간만큼의 시간이 경과한 후에 상기 동작 시간에 해당하는 기간 동안 상기 싸이리스터 전력 스위칭 수단의 상기 동작 입력부에 동작 신호를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 경화 장치로부터 기어의 가열을 정확하게 제어하는 방법.
전력 신호 AC 전력 신호를 발생시키는 저주파 AC 전력원과; 상기 저주파 AC 전력 신호의 소정 위상각을 검출하여 검출기 신호를 발생시키는 위상 검출기 수단과; 전력 입력부와 전력 출력부를 구비하여 상기 전력 입력부에 공급된 전력 신호에 응답하여 상기 전력 출력부에서 고주파 고전력 신호를 발생시키는 고주파 발생기 수단과; 상기 전력 출력부에 연결되어 상기 고주파 고전력 신호에 응답하여 고주파 전자기 신호를 방출하는 고주파 유도 가열 코일과; 상기 AC 전력원에 연결되고 동작 입력부를 포함하며 상기 동작 입력부에서의 시호 수신에 응답하여 상기 전력 입력부에 상기 전력 신호 AC 전력 신호를 공급하는 전력 스위칭 수단 및 상기 검출기 신호에 응답하여 단일의 소정 지속 기간 펄스로 구성된 동작 신호를 상기 동작 입력부에 공급하는 타이머 회로 수단을 포함하는 유도 경화 장치.
출력부에서 저주파 전력 신호를 발생시키는 저주파 AC 전력원과, 전력 입력부를 구비한 고주파 발생기 및 고주파 유도 가열 코일을 포함하는 유도 경화 장치에 공급된 전력을 정확하게 제어하는 방법에 있어서, 상기 저주파 AC 전력 신호의 소정 위상각을 검출하는 단계 및 상기 소정 위상각의 검출에 응답하여 단일의 연속한 소정 기간 동안 상기 고주파 발생기의 전력 입력부에 상기 AC 전력원의 출력부를 접속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 경화 장치에 공급된 전력을 정확하게 제어하는 방법.
전력 신호 AC 신호를 발생시키는 AC 전력원과; 상기 저주파 AC 전력 신호의 소정 위상각의 검출에 응답해서 제1신호를 발생시키는 제1회로 수단과; 작동 시에 가동 신호를 발생시키는 스위치 수단과; 동시 발생하는 상기 제1신호와 상기 기동 신호에 응답하여 단일의 연속한 소정 지속 기간 펄스 동작 신호를 발생시키는 제2회로 수단과; 전력 입력부를 구비하여 상기 전력 입력부에 공급된 신호에 응답하여 고주파 고전력 신호를 발생시키는 고주파 발생기 수단 및; 상기 AC 전력 신호에 연결되어 상기 단일의 연속한 소정 지속 기간 펄스 동작 신호에 응답하여 상기 저주파 AC 전력 신호를 상기 고주파 발생기에 공급하는 전력 스위칭 수단을 포함하는, 고주파 유도 가열 코일의 전력 전달을 정확하게 제어하는 유도 경화 장치.