CN104768696A - 具有带间隔件和梳状件的l型和t型芯部元件的电感器,使用用于维持焊弧的电感器的焊接系统和焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接系统包括在焊接电源的输出上的电感器。电源可以是包括用于产生电力的发电机和发动机的类型，具有将电力调制成适于焊条焊接应用的形式的电力转换电路。电感器具有足以存储用于维持与XX10电极的焊弧的能量的电感，例如在700mH的量级。电感器可以具有特定结构，例如设计成围绕T型和L型芯部元件(62，64)的结构。

Description

具有带间隔件和梳状件的L型和T型芯部元件的电感器,使用用于维持焊弧的电感器的焊接系统和焊接方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2012年7月27日提交的题为“用于维持焊弧的电感器和焊接系统”的美国临时申请号61/676,663的非临时美国专利申请，该申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。

背景技术

本发明总体上涉及电力电子装置以及用于调制电力的电路。

许多系统被设计成用于工业电力电子设备，通常用于产生电力并将电力转换成用于特定负载和应用的有用形式。例如，电力电子装置用于例如焊接、马达控制、电力分配等应用。许多这种电路利用大功率装置，例如变压器、电容器和电感器以适当地转换并调制交流(AC)电和直流(DC)电。在这种系统中通常发现的一种特定的元件是电感器。这些电感器有时候被称为“扼流圈”，并且通常被设置用于平滑化或调制直流总线以及直流和交流输出的电力。一般而言，电感器包括传输电力的线圈或传导绕组。与这些电感器相关的芯部允许以电磁通量的形式存储电力。根据特定的应用选择线圈和芯部的组合的电感。已经设计了用于这些装置的许多不同的设计，并且这些设计目前正在使用中。

然而，还需要在特定类型的应用中使用电感器设计。例如，在发动机型发电机驱动的焊机中，输出电感器通常用于存储输出电力。需要特定的电感器设计来适应不同类型的焊接电极和焊接工艺。

发明内容

本发明提供了一种适于这些需求的电感器设计。具体地讲，本发明的实施例允许在不影响使用XX18电极的性能的同时存储足以维持与XX10电极的焊弧的能量。根据某些实施例，适于焊接电力的电感器包括L型芯部元件和T型芯部元件。T型芯部元件具有中央延伸体和顶部部分，所述中央延伸体的端部设置成与L型芯部元件的短侧面相邻，并且所述顶部部分设置成与L型芯部元件的长侧面相邻。间隔件设置在L型芯部部分与T型芯部部分之间在芯部部分彼此靠近的位置处。梳状件围绕T型芯部元件的中央延伸体设置。绕组设置在梳状件中并且与芯部元件间隔开。电感器具有足以存储用于维持与XX10电极的弧的能量的电感，例如在700mH的量级。

根据本发明的另一方面，一种焊接系统包括：电力转换电路，该电力转换电路配置成提供适于实施焊条焊接操作的输出电力；焊炬，该焊炬联接到电源并且配置成保持焊条电极并且将输出电力输送到焊条电极用于焊条焊接应用。电感器联接在电力转换电路与焊炬之间，并且具有足以存储用于维持与XX10电极的弧的能量的电感。

根据本发明的又一方面，一种焊接方法包括：经由电力转换电路提供适于实施焊条焊接操作的电能；使用由电力转换电流输出的电力在XX10电极与工件之间启动并维持弧；并且在设置在电力转换电路与电极之间的电感器中存储能量，电感器具有足以存储用于维持与XX10电极的弧的能量的电感。

附图说明

当结合附图阅读以下详细说明时，会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在整个附图中，附图中相同的附图标记代表相同的部件，其中：

图1是用于以焊接系统的形式的电力转换电路的示例性应用的概略图示；

图2是图1中的电力转换电路的一部分的电路示意图，特别图示了某些功能性电路构件；

图3是在前述附图中图示的类型的系统中使用的示例性输出电感器的立体图；

图4是图3中的电感器的分解图，示出了某些结构性和功能性构件；

图5是立体图，示出了图3所示的电感器的相对侧；以及

图6和图7是详细视图，示出了电感器的芯部部分之间的间隔件。

具体实施方式

现在转到附图，并且参见图1，图示了示例性焊接系统10，该焊接系统包括电源12，其用于为焊接、等离子切割和类似应用提供电力。图示实施例中的电源12包括发动机型发电机组14，该发电机组自身包括内燃机16和发电机18。内燃机16可以为任何合适的类型，例如汽油机或柴油机，并且一般具有适合应用中期望的电力输出的尺寸。发动机将具有特别适合驱动发电机18的尺寸，以产生一种或多种形式的输出电力。在预期的申请中，发电机18被卷绕以用于产生多种类型的输出电力，例如焊接电力，以及用于照明、动力工具等的辅助电力，并且这些电力可以采用交流和直流两种输出形式。图1中未具体图示发动机和发电机的各种支承构件和系统，但是这些构件和系统通常包括电池、电池充电器、燃料和排气系统等。

电力调制电路20联接到发电机18，以接收在操作期间产生的电力，并且将电力转换成负载或应用所需的形式。在图示的实施例中，发电机18产生应用于电力调制电路20的三相电力。然而，在某些实施例中，发电机可以产生单相电力。电力调制电路包括接收进线电力的构件、转换成直流形式的构件，以及进一步地将电力滤波并转换成所需的输出形式的构件。在以下讨论中将更多地说明电力调制电路20。

发动机16、发电机18和电力调制电路20都联接到总体上由附图标记22图示的控制电路。实际上，控制电路22可以包括一个或多个实际的电路，以及配置成监测发动机、发电机和电力调制电路的操作以及具体应用中的某些负载的固件和软件。控制电路的部分可以如图所示位于中央，或者电路可以分开以单独地控制发动机、发电机和电力调制电路。然而，在大多数应用中，这些分开的控制电路可以按照一些形式相互通信，以便这些系统构件的协调控制。控制电路22联接到操作者界面24。在大多数应用中，操作者界面将包括表面安装的控制面板，该控制面板允许系统操作者控制操作和输出的方面，并且监测或读取系统操作的参数。在焊接应用中，例如，操作者界面可允许操作者选择各种焊接工艺，电流和电压水平，以及用于焊接操作的具体方案。这些与控制电路通信，该控制电路自身包括一个或多个处理器和支承存储器。然后，根据操作者的选择，控制电路将通过处理器来实施存储于存储器中的特定控制方案。这种存储器也可存储操作期间的临时参数，例如以便于反馈控制。

图1中还示出用于焊接应用的可选的送丝机26。本领域的技术人员将会理解，这种送丝机通常在气体保护金属极弧焊(GMAW)工艺(通常被称为熔化极惰性气体保护焊(MIG)工艺)中使用。在这种工艺中，电极丝连同焊接电力(在合适的时候)和保护气体一起从送丝机馈送到焊炬28。然而，在其他应用中，也可不需要送丝机，例如通常被称为钨极惰性气体保护焊(TIG)和焊条焊接的工艺。然而，在所有这些工艺中，在一些点处，电极30用于完成穿过工件32和工件夹34的回路。电极因此用于与工件建立并且维持电弧，该电弧有助于熔化工件，并且在一些工艺中熔合电极，以完成所需的焊接。

为了允许反馈控制，系统通常配备有多个传感器，这些传感器在工作期间为控制电路提供信号。图1中示意性地示出了某些传感器，包括发动机传感器36、发电机传感器38、电力调制电路传感器40和应用传感器42。本领域技术人员应当理解，实际上，可以采用各种各样的这种传感器。例如，发动机传感器36通常包括速度传感器、温度传感器、节流阀传感器等。发电机传感器38通常包括电压和电流传感器，电力调制电路传感器40也是如此。应用传感器42通常也包括电流和电压感测能力的至少一种，以检测应用在负载上的电力。

图2图示了可包含在图1中所示的电力调制电路20中的电子电路。如图2所示，该电路可以包括发电机绕组44，这里图示为布置成三角构造，该发电机绕组将三相电力输出到整流器46。在图示的实施例中，三相整流器是被动整流器，该被动整流器包括一系列二极管，这些二极管为直流总线48提供直流波形。然后将直流总线上的电力施加于滤波及调制电路50，该滤波及调制电路有助于使波形平滑化，避免过度扰动直流波形等。直流电最终施加于开关模块52，该开关模块实际上包括一系列开关以及相关联的电子构件，例如二极管。在焊接应用中，特定的控制方案可以允许用于产生脉冲输出、交流输出、直流输出，以及适于特定工艺的特别适合的方案。本领域的技术人员应当理解，可以采用各种开关模块设计，并且这些设计可以使用现成的构件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)、硅可控整流器(SCRs)、变压器等。许多这些元件可以用于包括合适构造的开关和/或二极管两者的封装中。

最终，输出电感器54通常用于焊接应用。焊接领域的技术人员应当理解，选择输出电感器的尺寸及能量存储容量以适应期望的应用的输出电力(电压和电流)。尽管图中未示出，还应当注意到，在此布置中可以提供某些其他的电路，并且电力可以以其他形式消耗和调制。

尽管本文中已示出并描述了示例性系统的仅仅某些特征，但是本领域的技术人员可以进行许多修改和变化。例如，除图2中图示的输出端子之外，电力可以从用于其他转换过程的直流总线消耗。例如，这样可以允许用于直流焊接，例如，以及用于为各辅助应用供给合成的交流电。例如，合成的辅助电力可以适于单相电力工具、照明等。在设置的情况下，这种电力可以通过单独的端子或者甚至与用于电力网分布的插座相似的常规插座输出。

本发明提供了一种新的电感器结构，其设计成充当图2中的输出电感器54的作用。图3是目前想到的用于电感器设计的立体图。总体上由附图标记56表示的电感器组件包括绕组58。以T型芯部元件62和L型芯部元件64形式的芯部被设置成穿过并围绕绕组。

本文中图示并描述的电感器特别好地适于具有某些类型的电极的焊接应用。也就是说，电感器被专门设计用于焊接系统，这种焊接系统可以与通常在本领域中被称为“XX10”电极的焊条电极一起使用。本领域技术人员应当理解，这种电极的配方会导致在焊接期间可能快速发生的高电压尖峰，从而要求在40伏特或更高量级的高电压输入。如果未充分满足电压要求，弧在焊接期间会熄灭，从而导致性能降低、差的焊接、飞溅增大等。具体地讲，电感器旨在与多速发动机驱动布置一起工作，这些驱动布置具有以工作速度低至2400至2800转每分钟的发动机驱动维持与XX10电极的焊弧的能力。上述速度会导致更低的总线电压，并且因此导致更低的输出电压。

想到的电感器特别大以提供更高的能量存储，这有助于即使总线电压不充分时也维持焊弧。电感器的磁场的能量可以由字母W表示为：

W＝¹/₂LI²；

其中，W是电感器磁场的储能，L是电感并且I是流过电感器的电流。本领域技术人员应当理解，基于匝数、材料的磁阻、横截面积、芯部的长度或者芯部部分之间的气隙以及芯部材料与空气之间的磁导率来选择特定的绕组以及芯部设计和尺寸。具体地讲，可以从以下关系计算电感：

L＝N²/R；

其中，N是电感器的匝数，并且R是磁阻。此外，可以从以下关系计算磁阻本身：

R＝li/uiAi+lg/uaAg；

其中，li是芯部的长度，lg是气隙的长度，ui是芯部材料的磁导率乘以空气的磁导率，ua是空气的磁导率，Ai是芯部的横截面积，并且Ag是气隙的横截面积。

在目前想到的实施例中，电感器包括围绕铁芯材料的多匝绕组。术语“线圈”可以具有一个或多个连接点以按照需求调节电感。铁芯材料形成闭环，该闭环结合T型芯部元件与L型芯部元件之间的一个或多个气隙或空间。这些间隙经过调节并且大小适于提供所需的电感。

参见图4，示出了电感器的元件，其中外壳和绕组被去除。T型芯部元件62被图示为包括形成T的中心的中央延伸体66以及形成T的顶部的顶部部分68。凹部70和72因此形成在中央延伸体的相对两侧上。梳状件74设置在中央部分的拐角处。这些梳状件由非传导材料制成，使得绕组可以位于梳状件的开口中并且避免与芯部元件直接接触。由非传导材料制成的间隔件设置在T型芯部元件与L型芯部元件之间，由附图标记76所示。然后，L型芯部元件包括长侧面78和短侧面80。间隔件76设置在短侧面80与中央延伸体66的最底部之间，以及长侧面78的端部与T型芯部元件的顶部部分68的边缘之间。在目前想到的实施例中，梳状件由玻璃纤维Rynite 530FR制成。单个绕组形成在梳状件上，该梳状件提供27个狭槽，绕组以边缘绕制法卷绕在梳状件的端部之间。在目前想到的实施例中，芯部由23规格的冷轧钢制成，有效横截面积为7平方英寸。绕组由铝制成，横截面积为0.076平方英寸，27匝。T型芯部元件与L型芯部元件之间的间隙为标称0.083英寸。

在图5中从与图3相反的一侧再次图示了组件。图5图示了连接端子82，所述连接端子提供用于将电力引导到绕组以外。图5还图示出了焊接在T型芯部元件62与L型芯部元件64之间的连接件84。类似的焊接件设置在该结构的相对两侧上，以维持芯部的结构完整性并且保持芯部元件之间的间隔件。图6和图7示出了间隔件的位置。尤其是，图6示出了T型芯部元件的中央延伸体66与L型芯部元件的短侧面80之间的的间隔件76。图7类似地图示了T型芯部元件的顶部68与L型芯部元件的长侧面78的端部之间的间隔件76。

在目前想到的实施例中，为了适应XX10电极，选择电感器参数以提供700mH量级的电感，作为对照，典型的焊接操作和机器通常包括更小量级的电力输出的电感器。然而，已经认识到，为了提供更低的总线电压和输出电压水平，然而同时为XX10电极存储足够电力，特定的电感器结构和尺寸极大地改善了性能。

尽管本文中说明并描述了本发明的仅仅某些特征，但是本领域的技术人员可以进行许多修改和变化。因此，应当理解所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的真正精神范围内的所有这些修改和变化。

Claims (20)

1.一种用于焊接电源的电感器，包括：

L型芯部元件；

T型芯部元件，T型芯部元件具有中央延伸体和顶部部分，所述中央延伸体的端部设置成与L型芯部元件的短侧面相邻，并且所述顶部部分设置成与L型芯部元件的长侧面相邻；

间隔件，所述间隔件设置在L型芯部部分与T型芯部部分之间在芯部部分彼此靠近的位置处；

梳状件，所述梳状件围绕T型芯部元件的中央延伸体设置；以及

绕组，设置在梳状件中并且与芯部元件间隔开。

2.根据权利要求1所述的电感器，其中电感器具有约700mH的电感。

3.根据权利要求1所述的电感器，其中L型芯部元件固定到T型芯部元件。

4.根据权利要求3所述的电感器，其中L型芯部元件通过焊接固定到T型芯部元件。

5.根据权利要求1所述的电感器，其中电感器具有足以存储用于维持与XX10电极的弧的能量的电感。

6.根据权利要求1所述的电感器，其中绕组包括铝，芯部元件包括钢，以及间隔件包括玻璃纤维。

7.一种焊接系统，包括：

电力转换电路，所述电力转换电路配置成提供适于实施焊条焊接操作的输出电力；

焊炬，所述焊炬联接到电源，并且配置成保持焊条电极并且将输出电力输送到焊条电极用于焊条焊接应用；以及

电感器，所述电感器联接在电力转换电路与焊炬之间，电感器具有足以存储用于维持与XX10电极的弧的能量的电感。

8.根据权利要求7所述的系统，其中电感器具有约700mH的电感。

9.根据权利要求1所述的系统，其中电感器包括：L型芯部元件；T型芯部元件，T型芯部元件具有中央延伸体和顶部部分，所述中央延伸体的端部设置成与L型芯部元件的短侧面相邻，并且所述顶部部分设置成与L型芯部元件的长侧面相邻；间隔件，所述间隔件设置在L型芯部部分与T型芯部部分之间在芯部部分彼此靠近的位置处；梳状件，所述梳状件围绕T型芯部元件的中央延伸体设置；以及绕组，所述绕组设置在梳状件中并且与芯部元件间隔开。

10.根据权利要求9所述的系统，其中L型芯部元件固定到T型芯部元件。

11.根据权利要求10所述的系统，其中L型芯部元件通过焊接固定到T型芯部元件。

12.根据权利要求9所述的电感器，其中绕组包括铝，芯部元件包括钢，垫圈包括玻璃纤维。

13.根据权利要求7所述的系统，包括发动机和发电机，所述发电机联接到发动机以产生施加于电力转换电路的电力。

14.一种焊接方法，包括：

经由电力转换电路提供适于实施焊条焊接操作的电力；

使用由电力转换电路输出的电力在XX10电极与工件之间启动并维持弧；并且

在设置在电力转换电路与电极之间的电感器中存储能量，电感器具有足以存储用于维持与XX10电极的弧的能量的电感。

15.根据权利要求14所述的方法，其中电感器具有约700mH的电感。

16.根据权利要求14所述的方法，其中电感器包括：L型芯部元件；T型芯部元件，所述T型芯部元件具有中央延伸体和顶部部分，所述中央延伸体的端部设置成与L型芯部元件的短侧面相邻，并且所述顶部部分设置成与L型芯部元件的长侧面相邻；间隔件，所述间隔件设置在L型芯部部分与T型芯部部分之间在芯部部分彼此靠近的位置处；梳状件，所述梳状件围绕T型芯部元件的中央延伸体设置；以及绕组，所述绕组设置在梳状件中并且与芯部元件间隔开。

17.根据权利要求16所述的方法，其中L型芯部元件固定到T型芯部元件。

18.根据权利要求17所述的方法，其中L型芯部元件通过焊接固定到T型芯部元件。

19.根据权利要求16所述的电感器，其中绕组包括铝，芯部元件包括钢，以及垫圈包括玻璃纤维。

20.根据权利要求14所述的方法，包括经由发动机和联接到发动机的发电机产生电力，并且将电力施加给电力转换电路，用于产生适于实施焊条焊接操作的电力。