JP2007243071A

JP2007243071A - トランス及びその製造方法

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Publication number: JP2007243071A
Application number: JP2006066740A
Authority: JP
Inventors: Munehito Mabuchi; 宗人馬渕
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP4794330B2

Abstract

【課題】トランスの二次巻線の鋳造過程におけるろう材の溶損を防止する。
【解決手段】トランス１０は、導線を巻回して形成される一次巻線１６ａ、１６ｂと、冷却流路体６０を構成する銅パイプ６２が鋳込まれている二次巻線１８と、一次巻線１６ａ、１６ｂと二次巻線１８を組み合わせる積層鋼板からなるカットコア１４ａ、１４ｂと、銅パイプ６２の端部に継手として接合される銅カラー６４ａ、６４ｂとを備える。銅パイプ６２と銅カラー６４ａ、６４ｂとはろう付部６８でろう付け接合されている。銅パイプ６２、銅カラー６４ａ、６４ｂ及びろう付部６８の全面には、酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムを含むコーティング層７０が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、通電により生じる発熱を抑制するための冷却流路を銅パイプで構成したトランス及びその製造方法に関する。

産業用の溶接機は、ロボットアームの先端に溶接トランス及び溶接チップを動作させるアクチュエータを取り付け、所定の溶接作業を行うように構成されている。溶接用ロボットは高速化や生産性向上の観点からトランスの軽量が望まれている。

例えば、特許文献１記載の溶接トランスは、電流の通電による発熱を抑制するために、二次巻線に冷却通路が形成されている。この冷却通路を構成するために、鋳造材に冷却流路用のパイプを鋳込んで二次巻線を形成している。前記鋳造材としては、軽量化のためアルミニウムが使用されている。前記パイプの材質は前記鋳造材と同種のアルミニウムが馴染みがよい。しかしながら、冷却媒体が水である場合には、アルミニウムよりも耐腐食性の高い銅製のパイプを使用している。

ところで、前記銅パイプの出入り口とアルミ鋳造材との境界部分に電蝕が発生することが懸念されてるが、前記銅パイプの端部に銅カラーを連結することにより電蝕を防止する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献２は、溶接ガンに関し、アルミニウム材のモータハウジング内に冷却媒体用通路としての銅製管路が螺旋状に配設されるとともに、該銅製管路の出入口には、銅カラー部材が連結されている。銅製管路及び銅カラーはアルミニウムに鋳込まれている。銅製管路の入口および出口には、鋳込み前に予め銅カラーがろう付けにより固着されている。銅カラーは、所定の肉厚を有している。

特許文献２記載の溶接ガンでは、冷却流路によってハウジングが効率的に冷却され、小型化できて好適である。

特開２００２−３４３９１４号公報特開２００２−３４６７５５号公報

上記の特許文献１に記載の溶接ガンにおけるトランスでは、ハウジングに銅パイプを鋳込む前に銅カラーをろう付けにより固着している。一般的にろう材の融点はアルミニウム溶融温度よりも低く、鋳造時にろう材が溶融する場合があり、歩留まりが必ずしも高くない。アルミニウムの鋳込時にろう材が溶融してしまうと、銅カラーと銅パイプが一部剥離して冷却材を供給する外部ホースとの接続強度が低下し、又は剥離部に水分が進入して腐食が発生する懸念がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、銅パイプの端部に銅カラーをろう付けで接合し、アルミニウムの鋳造材で鋳込むことにより形成した二次巻線を有するトランスであって、鋳造過程におけるろう材の溶損を防止することができるトランス及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るトランスは、導線を巻回して形成される一次巻線と、銅パイプ及び該銅パイプの端部にろう付けされた継手としての銅カラーを含む冷却流路体と、少なくとも前記冷却流路体の銅パイプと該銅パイプのろう付部が鋳込まれているアルミニウム製の二次巻線と、前記一次巻線及び前記二次巻線と組み合わされる積層鋼板からなるコアとを備え、少なくとも前記ろう付部及び前記銅パイプの表面に、酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムの少なくとも一方を含むコーティング層が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るトランスの製造方法は、銅パイプの端部に継手としての銅カラーをろう付けして冷却流路体を構成し、少なくとも前記ろう付部及び前記銅パイプの表面に、酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムの少なくとも一方を含むコーティング層を形成し、少なくとも前記冷却流路体の銅パイプと該銅パイプのろう付部をアルミニウムに鋳込んで二次巻線を形成し、導線を巻回して形成される一次巻線と前記二次巻線を、積層鋼板からなるコアと組み合わせてトランスを得ることを特徴とする。

本発明に係るトランス及びその製造方法によれば、ろう付けした銅パイプ及び銅カラーの表面に、アルミニウム溶融温度よりも融点の高いコーティング剤を施すことにより、該コーティング剤が保護膜となって鋳造過程でろう材が溶損することを防止できる。

したがって、銅カラーが銅パイプから剥離することがなく、冷却材を供給する外部ホースとの接続強度が十分に高くなる。また、剥離部に水分が進入して腐食が発生するおそれがない。

さらにまた、銅カラーを設けることにより、冷却材を供給する外部ホースとの接続部に電蝕が発生することを防止できる。

以下、本発明に係るトランス及びその製造方法について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図７を参照しながら説明する。本実施の形態に係るトランス１０（図１参照）は、例えば、スポット溶接の溶接ガンに対する電圧変換の用途に用いられ、溶接ガンとともにロボットアームの先端に設けられる。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係るトランス１０は、トランス本体１２と、該トランス本体１２の上部に設けられた半導体スタック１３とを有する。以下、方向を特定するために、図１及び図３における矢印Ａ１方向を右、矢印Ａ２方向を左として特定する。

トランス本体１２は、積層鋼板からなるカットコア１４ａ、１４ｂと、導線を多数回巻回して得られる一次巻線１６ａ、１６ｂと、該一次巻線１６ａ、１６ｂの発生する磁力によって誘電される二次巻線１８と、一次巻線１６ａ、１６ｂの端部に接続された一対の入力端子２０と、支持台２１とを有する。一次巻線１６ａ、１６ｂ及び二次巻線１８は、カットコア１４ａ及び１４ｂを介して支持台２１によって支持されている。

カットコア１４ａ、１４ｂは、それぞれ平面視（図示せず）で略「コ」字状の積層鋼板を２つ付き合わせて、平面視で四角枠形状となっている。二次巻線１８は、２ターンのコイルであり、第１ターン部１８ａと、第２ターン部１８ｂと、これらの第１ターン部１８ａと第２ターン部１８ｂとを接続する横架部１８ｃとを有する。第１ターン部１８ａ及び第２ターン部１８ｂの右側部はカットコア１４ａの四角枠の孔部に挿通しており、左側部はカットコア１４ｂの四角枠の孔部に挿通している。二次巻線１８についての詳細は後述する。

一次巻線１６ａ及び１６ｂは、所定の巻線機によって予め巻回して形成しておき、二次巻線１８と組合わせた後にカットコア１４ａ及び１４ｂを挟んで所定のバンドで固定する。一次巻線１６ａは、二次巻線１８の第１ターン部１８ａの表面及び裏面に沿うように組み付けられ、一次巻線１６ｂは、第２ターン部１８ｂの表面及び裏面に沿うように組み付けられる。一次巻線１６ａと一次巻線１６ｂの各一端部は、入力端子２０に接続されており、各他端部は相互接続されている。

半導体スタック１３は、薄い４枚の半導体２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄと、これらの半導体を挟持する冷却フィン２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｆと、これらの冷却フィンを接続するブロック２６ａ、２６ｂ及び２６ｃとを有する。冷却フィン２４ａ〜２４ｆと、ブロック２６ａ〜２６ｃの内部には冷却流路２８がそれぞれ連通して設けられている。冷却流路２８の入口側の一端は冷却フィン２４ａの側面に開口する入口ポート３０ａであり、出口側の他端は冷却フィン２４ｆの側面に開口する出口ポート３０ｂである。この半導体スタック１３では、入口ポート３０ａから出口ポート３０ｂに向けて冷却流路２８内に冷却水を流通することにより、半導体２２ａ〜２２ｄを冷却することができる。

図３に示すように、二次巻線１８は、アルミニウム鋳造によって構成された２ターンのコイルであり、第１ターン部１８ａと、第２ターン部１８ｂと、上部の横架部１８ｃとを有する。二次巻線１８はアルミニウム材自体が通電体となっている。また、二次巻線１８は、一次巻線１６ａ、１６ｂ及びカットコア１４ａ、１４ｂよりも大きく強固な部材であって、トランス本体１２のベースの構造体となっている。二次巻線１８には冷却水を流通させるための冷却流路体６０が鋳込まれている。

二次巻線１８の表面には無電解ニッケルのめっき処理がなされており、銅製の部材（例えば、半導体スタック１３、冷却フィン２４及びマイナス電極等）を接触させた箇所に結露等により水分が付着しても電蝕等が発生することがない。

第１ターン部１８ａは、中央にカットコア１４ａ、１４ｂの一部が挿通される四角孔４０ａを備え、側面視（図１参照）で略四角形状の扁平形状であって、下方の２隅は円弧状に面取りされている。四角孔４０ａの上部から第１ターン部１８ａの上面に向かって細いスリット４２ａが設けられており、第１ターン部１８ａは、上方に開口した略Ｃ字状となっている。

第１ターン部１８ａの上面左端部には、やや突出した端子台４４ａが設けられている。該端子台４４ａには、図１の左方向に開口する２つのビス孔４６ａが並列して設けられており、２本のビス４８によって端子５０ａが取り付けられる。端子５０ａの接続線は、図示しないトランスに接続される。

端子台４４ａにおけるビス孔４６ａが設けられている面の下部は、斜め下方向に向かう傾斜面５２ａが設けられている。該傾斜面５２ａには、冷却流路体６０の一端の入口ポート６０ａが開口している。

第２ターン部１８ｂは、第１ターン部１８ａと同形状で左右逆向きに構成されており、その詳細な説明は省略する。第２ターン部１８ｂにおける各部の符号は、第１ターン部１８ａにおける符号の添え字「ａ」に代えて添え字「ｂ」を付して示す。第２ターン部１８ｂの傾斜面５２ｂには、冷却流路体６０の他端の出口ポート６０ｂが開口している。

なお、図１に示すように、入口ポート６０ａは、半導体スタック１３の出口ポート３０ｂと中継ホース１００ｂによって接続されている。半導体スタック１３の入口ポート３０ａは冷却水の供給ホース１００ａに接続されている。出口ポート６０ｂは冷却水の排水ホース１００ｃと接続されている。このような接続により、冷却水は、供給ホース１００ａ、冷却流路２８、中継ホース１００ｂ、冷却流路体６０及び排水ホース１００ｃの順に流通して、半導体スタック１３及びトランス本体１２を冷却する。

図３に戻り、横架部１８ｃは、第１ターン部１８ａの上面右部と第２ターン部１８ｂの上面左部とを平面視で傾斜しながら接続する部分である。横架部１８ｃの厚みは、第１ターン部１８ａ及び第２ターン部１８ｂの厚みと略同じに設定されている。第１ターン部１８ａの右上部で、横架部１８ｃの正面部には２つのビス孔５４ａが設けられている。同様に、第２ターン部１８ｂの左上部で、横架部１８ｃの背面部には２つのビス孔（図示せず）が設けられている。ビス孔５４ａは、半導体スタック１３の固定用に用いられ、背面側のビス孔には所定のマイナス電極が接続される。

次に、二次巻線１８を冷却するための冷却流路体６０について図４及び図５を参照しながら説明する。

図４に示すように、冷却流路体６０は、銅パイプ６２と、該銅パイプ６２の一端に設けられた銅カラー６４ａと、他端に設けられた銅カラー６４ｂとを有する。銅パイプ６２は、銅カラー６４ａが設けられた一端部から、第１ターン部１８ａを反時計周りに略１周し（図１参照）、横架部１８ｃを経由した後、第２ターン部１８ｂを反時計回りに略１周して銅カラー６４ｂが設けられた他端部に至る（図３参照）。銅パイプ６２は、冷却効率向上の観点から、二次巻線１８内の経路が長くなるように緩やかな波打ち形状に形成されている。

冷却流路体６０は、二次巻線１８に鋳込まれており、銅カラー６４ａが設けられた一端が傾斜面５２ａに開口して入口ポート６０ａを形成し、銅カラー６４ｂが設けられた他端が傾斜面５２ｂに開口して出口ポート６０ｂを形成している。

図５に示すように、銅カラー６４ａは、短い筒形状であって開口側に雌ねじが６６が設けられている。銅カラー６４ａは、内径が銅パイプ６２の外径と略等しく、該銅パイプ６２の一端に挿入された状態で、挿入側端部がろう付けされている。このろう付部６８は、銅カラー６４ａの挿入側端部と銅パイプ６２との接触部に対して隅肉を形成するように１周にわたって設けられている。

このろう付部６８によれば、銅カラー６４ａを銅パイプ６２に確実に固着するすることができる。なお、詳細な説明を省略するが、他端の銅カラー６４ｂについても同様の構成であり、同様の効果を有する。

また、図５に示すように、冷却流路体６０の表面にはコーティング層７０が形成されている。該コーティング層７０は冷却流路体６０を二次巻線１８に鋳込む前の段階で、コーティング剤を塗布及び加熱して形成されたものである。コーティング層７０は、ろう付部６８を含む冷却流路体６０の全面に形成されている。

コーティング剤は耐熱性のあるもので、例えば、酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムの少なくとも一方を含むものを用いるとよい。酸化アルミニウムは融点が２０２０℃と高く、表面の強度・耐熱衝撃性能を向上する効果を有する。ケイ酸ジルコニウムは融点が２５５０℃と高い。また、ケイ酸ジルコニウムは耐食性が高く、ほとんどの化学物質と反応しない性質をもち、溶融アルミニウムと銀ろうあるいは銅との反応を防ぐことができる。銅はアルミニウムと反応する性質があるが、ケイ酸ジルコニウム等を含むコーティング層７０を設けることにより、侵食を防止することができる。

これらのコーティング層７０によれば、アルミニウムの溶湯に触れても溶解することがないため、冷却流路体６０の表面でバリアとなり、内部を保護することができる。

コーティング剤としては、これ以外にも、例えばケイ酸ソーダや酸化マグネシウムを含むものであってもよい。ケイ酸ソーダは界面活性剤として使用されるもので、石けんのように表面を滑らかにし、溶湯の流れをよくして表面のボイドの発生を抑制することができる。酸化マグネシムは熱伝導性付与剤として使用されるもので、銅パイプから熱放散を向上させることができる。二次巻線１８では、冷却流路体６０に冷却水を流してアルミニウムの熱抵抗で発生した熱を冷却水に伝えて冷却するので、銅パイプ６２の表面で熱伝導が阻害されると冷却性能が低下するが、酸化マグネシウム等を含むコーティング層７０を設けることにより、伝熱特性及び冷却特性を向上させることができる。

次に、このように構成されるトランス１０の製造方法について図６を参照しながら説明する。

先ず、ステップＳ１において、銅のパイプ材から所定長さを切り出した後に曲げ加工をして銅パイプ６２を形成する。

ステップＳ２において、図７に示すように、銅パイプ６２の両端に銅カラー６４ａ及び６４ｂを取り付けた後に、各銅カラー６４ａ及び６４ｂの挿入側端部を銅パイプ６２の表面の１周にわたってろう付けを行い、ろう付部６８を形成する。ろう材は、例えば銀ろうであって、融点が６００℃程度である。

ステップＳ３において、銅パイプ６２、銅カラー６４ａ及び６４ｂの全面に前記のコーティング剤を薄く均一に塗布する。このコーティング剤は、前記のとおり酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムの少なくとも一方を含むものである。

ステップＳ４において、コーティング剤を塗布した銅パイプ６２、銅カラー６４ａ及び６４ｂを所定手段により加熱して余分な水分等を除き、コーティング層７０を形成する。これにより冷却流路体６０が得られる。

ステップＳ５において、二次巻線１８の形状のキャビティを有する鋳造金型（図示せず）を用いてアルミニウム鋳造を行う。このとき、鋳造金型のキャビティ部に冷却流路体６０を配置しておき、アルミニウムに鋳込んで二次巻線１８を形成する。ところで、アルミニウムの溶湯は、例えば、７４０℃程度に設定されており、ろう付部６８の銀ろうの融点（６００℃程度）よりも高温であるが、該ろう付部６８は高融点の材質を含むコーティング層７０によって覆われていることから耐熱性を有し、ろう付部６８が溶損してしまうことがない。また、仮にろう付部６８の表面の一部が溶融した場合であっても、コーティング層７０が殻として覆っていることから、ろう材が流出することがない。

さらに、コーティング層７０が設けられていることにより、銅パイプ６２の表面における湯流れ性が向上し、鋳造がスムーズに行われるとともに巣の発生が抑制される。

この後、アルミニウムが凝固して冷却された後、鋳造金型を取り除き、所定のビス孔加工等を行い、二次巻線１８を得る。

ステップＳ６において、二次巻線１８に対して、予め形成された一次巻線１６ａと一次巻線１６ｂ取り付ける。

ステップＳ７において、二次巻線１８及び一次巻線１６ａ、１６ｂの組み立て体カットコア１４ａ、１４ｂを挟み込みバンドにより固定する。また、前記のとおり、一次巻線１６ａと一次巻線１６ｂの各一端部を入力端子２０に接続し、各他端部を相互接続する。この後、組み立て体を支持台２１に取り付けてトランス本体１２が得られる。

ステップＳ８において、トランス本体１２の上部に半導体スタック１３を取り付け、中継ホース１００ｂを取り付ける。また、トランス本体１２の使用時には、供給ホース１００ａ及び排水ホース１００ｃを取り付けて、冷却水を冷却流路２８及び冷却流路体６０に供給、循環させる。これにより、半導体スタック１３及びトランス本体１２を冷却することができる。

上述したように、本実施の形態に係るトランス１０及びその製造方法では、ろう付けした銅パイプ６２及び銅カラー６４ａ、６４ｂの表面に、アルミニウム溶融温度よりも融点の高いコーティング剤を施してコーティング層７０を設けている。このコーティング層７０が保護膜となって鋳造過程でろう材が溶損することを防止できる。

したがって、銅カラー６４ａ、６４ｂが銅パイプ６２から剥離することがなく、冷却材を供給する中継ホース１００ｂ及び排水ホース１００ｃとの接続強度が十分に高くなる。また、剥離部に水分が進入して腐食が発生するおそれがない。

さらにまた、銅カラー６４ａ、６４ｂには雌ねじ６６が形成されており、該銅カラー６４ａ、６４ｂに中継ホース１００ｂ及び排水ホース１００ｃを接続するため、冷却水がアルミニウム母材と直接的に接触することがなく、電蝕を防止することができる。

本実施の形態に係るトランス１０及びその製造方法によれば、二次巻線１８が主にアルミニウムで形成されていることから、銅が主体の二次巻線と比較して軽量である。銅が主体の二次巻線の場合、アルミニウムと比較すると鋳造が困難であって、冷却水の流路を形成するためには、純銅板にドリル加工をして水路を形成し、これをろう付けする。このような加工は、工程数が多く、しかも加工が難しく、ドリルの消耗も早い。一方、トランス１０及びその製造方法によれば、アルミニウム鋳造時に冷却流路体６０を鋳込むことから、工程数が少なく、処理が容易であって、しかも工具等の消耗がない。

本発明に係るトランス及びその製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るトランスの正面図である。本実施の形態に係るトランスの側面図である。二次巻線の斜視図である。冷却流路体の斜視図である。冷却流路の開口部の断面図である。本実施の形態に係るトランスの製造方法の手順を示すフローチャートである。銅パイプと銅カラーの分解斜視図である。

符号の説明

１０…トランス１２…トランス本体
１３…半導体スタック１４ａ、１４ｂ…カットコア
１６ａ、１６ｂ…一次巻線１８…二次巻線
１８ａ、１８ｂ…ターン部１８ｃ…横架部
６０…冷却流路体６０ａ…入口ポート
６０ｂ…出口ポート６２…銅パイプ
６４ａ、６４ｂ…銅カラー６６…雌ネジ
６８…ろう付部７０…コーティング層
１００ａ…供給ホース１００ｂ…中継ホース
１００ｃ…排水ホース

Claims

導線を巻回して形成される一次巻線と、
銅パイプ及び該銅パイプの端部にろう付けされた継手としての銅カラーを含む冷却流路体と、
少なくとも前記冷却流路体の銅パイプと該銅パイプのろう付部が鋳込まれているアルミニウム製の二次巻線と、
前記一次巻線及び前記二次巻線と組み合わされる積層鋼板からなるコアと、
を備え、
前記ろう付部及び前記銅パイプの表面に、酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムの少なくとも一方を含むコーティング層が形成されていることを特徴とするトランス。
銅パイプの端部に継手としての銅カラーをろう付けして冷却流路体を構成し、
前記ろう付部及び前記銅パイプの表面に、酸化アルミニウム及びケイ酸ジルコニウムの少なくとも一方を含むコーティング層を形成し、
少なくとも前記冷却流路体の銅パイプと該銅パイプのろう付部をアルミニウムに鋳込んで二次巻線を形成し、
導線を巻回して形成される一次巻線と前記二次巻線を、積層鋼板からなるコアと組み合わせてトランスを得ることを特徴とするトランスの製造方法。