JP2011251339A

JP2011251339A - 直流抵抗溶接機用トランス

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Publication number: JP2011251339A
Application number: JP2010220648A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Yamazaki; 正和山崎
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP5679754B2

Abstract

【課題】一次コイルと二次コイルとの間の漏れ磁束を減少させて、製作が容易な溶接トランスを提供する。
【解決手段】本発明の溶接トランス３１は、二次コイル３３が第１コイル４１乃至第４コイル４４から成り、それぞれが板状でＵの字に形成されて同一方向を向き、第１コイル４１及び第２コイル４２が一次コイル３２の外側に設けられ、第３コイル４３及び第４コイル４４が一次コイル３２の内側に設けられ、第１コイル４１と第３コイル４３とを並列に接続して、この出力端子が第１整流素子１０に接続されている。また、第２コイル４２と第４コイル４４とを並列に接続して、この出力端子が第２整流素子１１に接続されている。第１コイル４１及び第３コイル４３の入力端子と、第２コイル４２及び第４コイル４４の入力端子とが接続されてセンタータップ１４を成している。入力容量を低減させ小型軽量化が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、改善された直流抵抗溶接機用トランス（以下、溶接トランスという。）に関するものである。

図４は、溶接トランスが使用される溶接装置の一般的な構成を示す図である。同図において、溶接装置１は、交流電源２によって発生される商用周波数の交流電力がコンバータ回路３によって整流される。このコンバータ回路３から出力された直流電力がインバータ回路４に入力される。このインバータ回路４は、図示を省略した複数のスイッチング素子から成り、入力された直流電力が高周波のスイッチング動作によってパルス状の高周波交流電力に変換される。このインバータ回路４のスイッチング動作は、インバータ制御回路５からの制御信号によって制御される。

インバータ回路４から出力された高周波交流電力が溶接トランス６に入力されて、直流溶接電力に変換される。この溶接トランス６は、一次コイル７と二次コイル８とコア９とから成り、一次コイル７がインバータ回路４の出力側に接続され、二次コイル８の出力端子が第１整流素子１０及び第２整流素子１１をそれぞれ介して第１ガンアーム１２に接続されるとともに、二次コイル８のセンタータップ１４が第２ガンアーム１３に接続されている。第１ガンアーム１２及び第２ガンアーム１３の先端部に第１溶接チップ１５及び第２溶接チップ１６がそれぞれ取り付けられている。

インバータ回路４から出力された高周波交流電力は、溶接トランス６の一次コイル７に印加され、溶接トランス６の二次コイル８には降圧された大電流の高周波交流電力が発生する。この二次コイル８に発生した高周波交流電力が第１整流素子１０及び第２整流素子１１によって半周期毎に交互に整流されることで、第１ガンアーム１２及び第２ガンアーム１３との間には直流電力が供給される。これによって、直流電力が被溶接物１７に流れ、溶接部がジュール熱によって冶金的に接合される。

図５及び図６は、従来技術の溶接トランスの構造を示す図である。図５（Ａ）は溶接トランスの外形図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図６（Ａ）は図５（Ａ）を整流器側から見たときの二次コイルの斜視図を示している。図６（Ｂ）は図５（Ａ）を整流器側から見たときの溶接トランスの部分断面図を示している。図５及び図６において、被溶接物１７に供給される直流電流は数千Ａ〜数万Ａを必要とするため、溶接トランス６の二次コイル８は、平角導線を使用する代わりに、コの字形状の導体を２個設けて、これらを第１コイル１８及び第２コイル１９とし、これらの第１コイル１８及び第２コイル１９の外側と内側に一次コイル７を巻いている。これらの第１コイル１８及び第２コイル１９は中に冷却水を通しているために、通常、パイプをコの字形状に形成して、第１コイル１８及び第２コイル１９を図５（Ａ）に示すように並べて配置していた。

そして二次コイル８の第１コイルの下端部１８ｂと第２コイルの上端部１９ａとを導電体から成る短絡バー２１で対角線状に接続し、この短絡バー２１から溶接トランス６のセンタータップ１４を引き出している。この短絡バー２１は二次コイル８の第１コイル１８と第２コイル１９との間に配置されている一次コイル７の外側を交差させるように設けられている。そして、第１コイルの上端部１８ａが整流器２０内の第１整流素子１０に接続され、第２コイルの下端部１９ｂが第２整流素子１１に接続されて、これらの第１整流素子１０及び第２整流素子１１のそれぞれの出力端子が接続されて、溶接トランス６の出力端子３４としている。

上述した従来技術の溶接トランスは、二次コイル８の第１コイル１８及び第２コイル１９の外側と内側とに一次コイル７を巻いていて、第１コイル１８と第２コイル１９とが一次コイル７に挟まれるように配置されている。そして、第１コイル１８と第２コイル１９には、整流された電力が極性ごとに交互に流れる。即ち、二次コイル８に発生した高周波交流電力の一方の極性の半波電力は、センタータップ１４から第１コイル１８を流れて第１整流素子１０に流れる。また、二次コイル８に発生した高周波交流電力の他方の極性の半波電力は、センタータップ１４から第２コイル１９を流れて第２整流素子１１に流れる。このために、第１コイル１８と第２コイル１９とにおいて、極性ごとに二次電流が偏って流れることになる。この結果、一次コイル７と二次コイル８との間で漏れ磁束が大きくなり、結合係数が小さく成っていた。そのために、必要な高い二次電流を得るためには溶接トランス６の入力容量を大きくする必要があり、溶接トランス６が大型化していた。

そこで従来、溶接トランスの一次コイルと二次コイルとの結合係数を高め、小型軽量化が可能となり、高出力が得られる溶接トランスが提案され、この溶接トランスが特許文献１に開示されている。特許文献１に示す溶接トランス１６は、一次コイル２４が、帯状の導電性薄板をコイル状に折曲形成した同一方向に周回するコイル部３９ａ〜３９ｈから成り、二次コイル２６が導電性のブロック体をコイル状に屈曲形成した第１コイル部４０ａ、４０ｂと第２コイル部４２ａ、４２ｂとから成り、これらの第１コイル部４０ａ、４０ｂと第２コイル部４２ａ、４２ｂとが、それぞれ並列に設けられて同時に電流が流れる。そして、一次コイル２４のコイル部３９ａ〜３９ｈと、二次コイル２６の第１コイル部４０ａ、４０ｂと第２コイル部４２ａ、４２ｂとが嵌め合わされて、一次コイル２４と二次コイル２６とが交互に配置されるように設けられている。この結果、溶接トランス１６の一次コイル２４と二次コイル２６との結合係数を高め、小型軽量化が可能となり、高出力が得られる。

特開平６−２３５６３号公報

上述した特許文献１に開示された溶接トランス１６は、二次コイル２６に発生した高周波交流電力が第１コイル部４０ａ、４０ｂと第２コイル部４２ａ、４２ｂとにおいて極性ごとに偏って流れているので、一次コイル２４と二次コイル２６との結合係数を大幅に改善したものではなかった。

さらに、特許文献１に開示された溶接トランス１６は、一次コイル２４が帯状の導電性薄板をコイル状に折曲形成した同一方向に周回するコイル部３９ａ〜３９ｈから成り、二次コイル２６が導電性のブロック体をコイル状に屈曲形成した第１コイル部４０ａ、４０ｂと第２コイル部４２ａ、４２ｂとから成る。そのために、これらの一次コイル２４及び二次コイル２６の製作が容易では無く、かなりの製作工数がかかっていた。

本発明は、一次コイルと二次コイルとの間の漏れ磁束を減少させて、製作が容易な溶接トランスを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
交流電力が入力される一次コイルと、
二次コイルと、
この二次コイルに接続されて、直流電力を出力する第１整流素子と第２整流素子とから成る整流器とを備え、
前記整流器の出力端子が第１溶接チップに接続され、
前記整流器のセンタータップが第２溶接チップに接続された直流抵抗溶接機用トランスにおいて、
前記二次コイルが前記一次コイルの幅と同じ幅で表面が絶縁されて導電性の板状部材でＵの字に形成されて、このＵの字形状が同一方向を向いた第１コイル乃至第４コイルから成り、
前記第１コイル及び前記第２コイルが前記一次コイルの外側に設けられ、
前記第３コイル及び前記第４コイルが前記一次コイルの内側に設けられ、
前記第１コイルと前記第３コイルとを並列に接続し、
前記第２コイルと前記第４コイルとを並列に接続したことを特徴とする直流抵抗溶接機用トランスである。

請求項２の発明は、
並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの出力端子が前記第１整流素子の入力端子に接続され、
並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの出力端子が前記第２整流素子の入力端子に接続され、
前記第１整流素子及び前記第２整流素子の出力端子が接続されて前記整流器の出力端子を成し、
並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの入力端子と、並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの入力端子とが接続されて前記センタータップを成すことを特徴とする請求項１記載の直流抵抗溶接機用トランスである。

請求項３の発明は、
前記並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの出力端子が前記第１整流素子の入力端子に接続され、
前記並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの入力端子が前記第２整流素子の入力端子に接続されてセンタータップを成し、
前記並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの入力端子が前記第２整流素子の出力端子に接続され、
前記並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの出力端子と前記第１整流素子の出力端子とが接続されて前記整流器の出力端子を成すことを特徴とする請求項１記載の直流抵抗溶接機用トランスである。

本発明の溶接トランスは、一次コイルと二次コイルとの間の漏れ磁束が減少されることによって、一次コイルと二次コイルとの結合係数が大きくなる。従って、入力容量を低減させることができ、さらにコアの断面積を減少させることができるので、溶接トランスの小型軽量化が可能となり、可搬重量が低い溶接ロボットへ溶接トランスを搭載することが可能となる。また、二次コイルが導電性の板状部材をＵの字に形成して、二次コイルの第１コイル及び第２コイルが一次コイルの外側に設けられ、第３コイル及び第４コイルが一次コイルの内側に設けられているために、一次コイルおよび二次コイルを複雑な形状に屈曲形成する必要が無いので製作が容易であり、製作工数を低減することができる。

本発明の実施の形態１の溶接トランスの構造を示す図である。本発明の実施の形態１の溶接トランスの構造を示す図である。本発明の実施の形態２の溶接トランスの構造を示す図である。溶接トランスが使用される溶接装置の一般的な構成を示す図である。従来技術の溶接トランスの構造を示す図である。従来技術の溶接トランスの構造を示す図である。

［実施の形態１］
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態１の溶接トランスの構造を示す図である。図１（Ａ）は本発明の実施の形態１の溶接トランスの外形図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図２は図１の部分断面図である。図１及び図２において、溶接トランス３１は、一次コイル３２と二次コイル３３とコア３７とから成り、一次コイル３２が図３に示したインバータ回路４の出力側に接続されていて、インバータ回路４から高周波交流電力が一次コイル３２に印加される。

二次コイル３３が第１コイル４１乃至第４コイル４４から成り、これらの第１コイル４１乃至第４コイル４４は導電性の板状部材でＵの字に形成されて、これらの板状部材の幅が一次コイルの幅と同じであって、板状部材の表面が絶縁処理されている。図２に示すように、これらの第１コイル４１乃至第４コイル４４のＵの字形状が同一方向を向いて設けられ、第１コイル４１及び第２コイル４２が一次コイル３２の外側に設けられ、第３コイル４３及び第４コイル４４が一次コイル３２の内側に設けられている。

そして、第１コイル４１と第３コイル４３とを並列に接続して、その一端を入力端子３３ｄとし、他端を出力端子３３ｂとして、この出力端子３３ｂが整流器３６内に設けられた第１整流素子１０の入力端子に接続されている。また、第２コイル４２と第４コイル４４とを並列に接続して、その一端を入力端子３３ａとし、他端を出力端子３３ｃとして、この出力端子３３ｃが整流器３６内に設けられた第２整流素子１１の入力端子に接続されている。また、並列に接続された第１コイル４１及び第３コイル４３の入力端子３３ｄと、並列に接続された第２コイル４２及び第４コイル４４の入力端子３３ａとが接続されてセンタータップ１４を成している。第１整流素子１０と第２整流素子１１との出力端子が溶接トランス３１の出力端子３４に接続されて、この出力端子３４が図４に示した第１ガンアーム１２を介して第１溶接チップ１５に接続され、センタータップ１４が図４に示した第２ガンアーム１３を介して第２溶接チップ１６に接続されている。

二次コイル３３の第１コイル４１乃至第４コイル４４を上述したように接続することによって、並列に接続された第１コイル４１及び第３コイル４３が、一次コイル３２を挟むように設けられ、同様に、並列に接続された第２コイル４２及び第４コイル４４も、一次コイル３２を挟むように設けられている。従来、二次コイル内に冷却水を流して冷却していたが、本発明の溶接トランスは二次コイル３３の外部に冷却水を流して冷却している。

以下、動作を説明する。本発明の溶接トランス３１が使用される溶接装置は、図４に示した交流電源によって発生する商用周波数の交流電力がコンバータ回路３によって整流され、このコンバータ回路３から出力された直流電力がインバータ回路４に入力される。インバータ回路４から出力された高周波交流電力は溶接トランス３１に入力されて、直流溶接電力に変換される。

インバータ回路４から出力された高周波交流電力は、溶接トランス３１の一次コイル３２に印加され、溶接トランス３１の二次コイル３３には降圧された大電流の高周波交流電力が発生する。この二次コイル３３に発生した高周波交流電力が第１整流素子１０及び第２整流素子１１によって半周期毎に交互に整流されることで、第１ガンアーム１２及び第２ガンアーム１３との間には直流電力が供給される。これによって、直流電力が被溶接物１７に流れ、溶接部がジュール熱によって冶金的に接合される。

このとき、二次コイル３３に発生した高周波交流電力の一方の極性の半波電力は、センタータップ１４から並列に接続された第１コイル４１及び第３コイル４３を同時に流れて第１整流素子１０に流れる。また、二次コイル３３に発生した高周波交流電力の他方の極性の半波電力は、センタータップ１４から並列に接続された第２コイル４２及び第４コイル４４を同時に流れて第２整流素子１１に流れる。

この結果、二次コイル３３に発生した高周波交流電力は、いずれの極性においても一次コイル３２全体を挟むように流れるために、従来技術のように、二次コイル３３に発生した高周波交流電力が第１コイル部と第２コイル部とにおいて極性ごとに偏って流れることがない。これによって、一次コイル３２と二次コイル３３との間の漏れ磁束が減少され、一次コイル３２と二次コイル３３との結合係数が大きくなる。

従って、本発明の溶接トランス３１は結合係数が大きく成ることから、従来技術と比較して、同じ巻数比（一次コイルの巻数／二次コイルの巻数）で同じ一次電圧を印加すると二次電圧が増加することになるために、一次コイル３２の巻数を増やして二次電圧を減少させても、従来技術と同じ二次電圧を確保することができ、負荷に対応した二次電流も確保することができる。そして、一次コイル３２の巻数を増やすことによって、巻数比に反比例して一次電流が減少するために、入力容量を低減させることができる。また、一次コイル３２の巻数を増やすことによって、一次コイル３２の巻数に反比例してコア３７の断面積を減少させることができるので、溶接トランス３１の小型軽量化が可能となり、可搬重量が低い溶接ロボットへ溶接トランス３１を搭載することが可能となる。

さらに、本発明の溶接トランス３１は、二次コイル３３が導電性の板状部材をＵの字に形成して、二次コイル３３の第１コイル４１乃至第４コイル４４のＵの字形状が同一方向を向いて設けられ、第１コイル４１及び第２コイル４２が一次コイル３２の外側に設けられ、第３コイル４３及び第４コイル４４が一次コイル３２の内側に設けられている。このために、従来技術の溶接トランスのように、一次コイルおよび二次コイルを複雑な形状に屈曲形成する必要が無いので、製作が容易であり、製作工数を低減することができる。

なお、図２において、本発明の溶接トランス３１は、二次コイル３３の第２コイル４２の外側に第１コイル４１を設けた配置を示しているが、逆に第１コイル４１の外側に第２コイル４２を設けた配置としても良い。同様に、図２において二次コイル３３の第４コイル４４の外側に第３コイル４３を設けた配置を示しているが、逆に第３コイル４３の外側に第４コイル４４を設けた配置としても良い。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２の溶接トランスの部分断面図である。同図において、溶接トランス５１は、第１コイル４１と第３コイル４３とを並列に接続して、その一端を入力端子５２ｄとし、他端を出力端子５２ｂとして、この出力端子５２ｂが整流器５３（図１参照）内に設けられた第１整流素子１０の入力端子に接続されている。また、入力端子５２ｄが整流器５３内に設けられた第２整流素子１１の入力端子に接続されてセンタータップ１４を成して、図３に示した第２ガンアーム１３を介して第２溶接チップ１６に接続されている。また、第２コイル４２と第４コイル４４とを並列に接続して、その一端を入力端子５２ａとし、他端を出力端子５２ｃとして、この入力端子５２ａが整流器５３内に設けられた第２整流素子１１の出力端子に接続されている。また、出力端子５２ｃと第１整流素子１０の出力端子とが溶接トランス５１の出力端子３４に接続されて、この出力端子３４が図４に示した第１ガンアーム１２を介して第１溶接チップ１５に接続されている。

上述した構成によって第１ガンアーム１２は、第１整流素子１０の出力端子と二次コイル３３の出力端子５２ｃとで保持されている。また、第２ガンアーム１３は、第２整流素子１１の入力端子と二次コイル３３の入力端子５２ｄとで保持されている。その他の機能については、図２に示した本発明の実施の形態１の溶接トランス３１の同一機能に同符号を付して説明を省略する。

本発明の実施の形態２の溶接トランス５１の動作は、上述した本発明の実施の形態１の溶接トランス３１の動作と同様であるが、さらなる動作を説明する。被溶接物１７に供給される直流電流は数千Ａ〜数万Ａを必要とするため、被溶接物１７に電力を供給するたびに、出力端子３４とセンタータップ１４との間に流れる電流が反対方向のために、出力端子３４とセンタータップ１４とが反発して広がろうとする。この場合、出力端子３４とセンタータップ１４とが、単に第１整流素子１０及び第２整流素子１１に接続された端子ブロックのみによって保持されている場合は、第１整流素子１０及び第２整流素子１１にかなりの衝撃が加わり、それぞれの整流素子１０、１１に接続された端子ブロックの位置がずれて整流素子１０、１１に流れる電流の通路が偏る結果、整流素子１０、１１の寿命が低減されることになる。これに対して、本発明の実施の形態２の溶接トランス５１は、溶接トランス５１の出力端子３４及びセンタータップ１４が、二次コイル３３の出力端子５２ｃ及び入力端子５２ｄでそれぞれ保持されていて、これらの出力端子５２ｃ及び入力端子５２ｄが銅部材の丈夫なブロックで形成されているために、出力端子３４及びセンタータップ１４に加わる衝撃が、二次コイル３３の出力端子５２ｃ及び入力端子５２ｄでも吸収される。

この結果、本発明の実施の形態２の溶接トランスにおいても、上述した本発明の実施の形態１の溶接トランス３１が奏する効果と同様の効果を奏する。さらに、本発明の実施の形態２の溶接トランス５１においては、溶接トランス５１の出力端子３４及びセンタータップ１４が、二次コイル３３でも保持されているために、出力端子３４及びセンタータップ１４に加わる衝撃が二次コイル３３でも吸収され、第１整流素子１０及び第２整流素子１１に接続された端子ブロックの位置をずらすことがないので、整流素子１０、１１の寿命を低減することがない。

なお、図２に示した本発明の実施の形態１の溶接トランス３１及び図３に示した本発明の実施の形態２の溶接トランス５１は、二次コイル３３の第２コイル４２の外側に第１コイル４１を設けた配置を示しているが、逆に第１コイル４１の外側に第２コイル４２を設けた配置としても良い。同様に、二次コイル３３の第４コイル４４の外側に第３コイル４３を設けた配置を示しているが、逆に第３コイル４３の外側に第４コイル４４を設けた配置としても良い。

１溶接装置
２交流電源
３コンバータ回路
４インバータ回路
５インバータ制御回路
６溶接トランス
７一次コイル
８二次コイル
９コア
１０第１整流素子
１１第２整流素子
１２第１ガンアーム
１３第２ガンアーム
１４センタータップ
１５第１溶接チップ
１６第２溶接チップ
１７被溶接物
１８第１コイル
１８ａ第１コイルの上端部
１８ｂ第１コイルの下端部
１９第２コイル
１９ａ第２コイルの上端部
１９ｂ第２コイルの下端部
２０整流器
２１短絡バー
３１溶接トランス
３２一次コイル
３３二次コイル
３３ａ入力端子
３３ｂ出力端子
３３ｃ出力端子
３３ｄ入力端子
３４出力端子
３６整流器
３７コア
４１第１コイル
４２第２コイル
４３第３コイル
４４第４コイル
５１溶接トランス
５２ａ入力端子
５２ｂ出力端子
５２ｃ出力端子
５２ｄ入力端子
５３整流器

Claims

交流電力が入力される一次コイルと、
二次コイルと、
この二次コイルに接続されて、直流電力を出力する第１整流素子と第２整流素子とから成る整流器とを備え、
前記整流器の出力端子が第１溶接チップに接続され、
前記整流器のセンタータップが第２溶接チップに接続された直流抵抗溶接機用トランスにおいて、
前記二次コイルが前記一次コイルの幅と同じ幅で表面が絶縁されて導電性の板状部材でＵの字に形成されて、このＵの字形状が同一方向を向いた第１コイル乃至第４コイルから成り、
前記第１コイル及び前記第２コイルが前記一次コイルの外側に設けられ、
前記第３コイル及び前記第４コイルが前記一次コイルの内側に設けられ、
前記第１コイルと前記第３コイルとを並列に接続し、
前記第２コイルと前記第４コイルとを並列に接続したことを特徴とする直流抵抗溶接機用トランス。
並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの出力端子が前記第１整流素子の入力端子に接続され、
並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの出力端子が前記第２整流素子の入力端子に接続され、
前記第１整流素子及び前記第２整流素子の出力端子が接続されて前記整流器の出力端子を成し、
並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの入力端子と、並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの入力端子とが接続されて前記センタータップを成すことを特徴とする請求項１記載の直流抵抗溶接機用トランス。
前記並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの出力端子が前記第１整流素子の入力端子に接続され、
前記並列に接続された前記第１コイル及び前記第３コイルの入力端子が前記第２整流素子の入力端子に接続されてセンタータップを成し、
前記並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの入力端子が前記第２整流素子の出力端子に接続され、
前記並列に接続された前記第２コイル及び前記第４コイルの出力端子と前記第１整流素子の出力端子とが接続されて前記整流器の出力端子を成すことを特徴とする請求項１記載の直流抵抗溶接機用トランス。