JP2014041884A - トランス及びトランスを搭載した装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな発想で製造された、様々な態様に応用が可能で効率の良いトランス及びトランスを搭載した装置を提供すること。
【解決手段】トランスが、交流電力の電圧を電磁誘導を利用して変換するトランスであって、貫通孔を有するコアと、コアに２回以上巻回しされた１次コイルからなり、２次コイルを有さず、貫通孔が維持された中空孔を有していることからなる。また、トランスを搭載した装置の通電部材が、上記トランスの中空孔に通され、かつ中空孔の表面に接して配置されていることからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力の電圧の高さを電磁誘導を利用して変換するトランス及びトランスを搭載した装置に関する。

トランス（変圧器）は電磁誘導の原理によりコア（鉄心）を流れる磁束の変化で巻線に起電力を誘起させ、電圧・電流の大きさを変換するものである。この変圧器は、溶接機など大電流が必要とされる技術においては必須の構成要素となる。その構成としては、コアと、電源に接続される１次コイルと、２次コイルからなり、２次コイル側に出力用タップが設けられ、変圧された電流を流すことができるものである。

このようなトランスにおいては、小型化・軽量化の要求が大きく、１次と２次コイルの巻き方や配置を工夫した技術が見られる。また、巻き数についても２次コイルをワンターンとしたものも見られる（例えば、特許文献１〜３参照。）。

しかしながら、これら公知のトランスはいずれにおいても、当然にコアと、電源に接続される１次コイルと、２次コイルが必須の構成要素としてトランス内に設けられるものである。しかしながら、国際競争の激化に伴い、さらなる効率化が求められている。

特開２０１１−２５１３３９公報 特開２００４−３１９６６９ 特開２００６−１４０２４３

そこで、本発明は、新たな発想で製造された、様々な態様に応用が可能で効率の良いトランス及びトランスを搭載した装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のトランスは、交流電力の電圧を電磁誘導を利用して変換するトランスであって、
貫通孔を有するコアと、
コアに２回以上巻回しされた１次コイルからなり、
２次コイルを有さず、貫通孔が維持された中空孔を有していることからなる。

また、前記コアの貫通孔の表面に、１次コイルを配置するための導入溝が複数設けられており、当該導入溝の少なくとも１つに１次コイルが配置されていることが好適である。
また、コア及び１次コイルが絶縁部材により被覆されていることが好適である。
また、各導入溝の深さ及び幅は受け入れる１次コイルの幅及び深さに相応していることが好適である。
また、少なくとも１つの冷却用パイプが設けられていることが好適である。
また、絶縁樹脂をモールド成形することにより絶縁部材の被覆がなされていることが好適である。

さらに、トランスを搭載した装置の通電部材が、上記トランスの中空孔に通され、かつ中空孔の表面に接して配置されていることからなる。
また、トランスを搭載した装置が溶接用機械であることが好適である。
また、トランスを搭載した装置が抵抗溶接用機械であることが好適である。
また、トランスを搭載した装置がスポット溶接用又はシーム溶接用であることが好適である。
また、電極を支持するアームが通電部材で構成され、当該アームにトランスが設けられていることが好適である
また、トランスを搭載した装置が加熱用機械であることが好適である。
また、トランスが複数個設けられていることが好適である。

溶接機械や産業用ロボットなどの装置に搭載されて大電流の供給を必要とする従来のトランス（特にパワートランス）は、当然にコアと、電源に接続される１次コイルと、２次コイルから構成されているものであり、２次コイル側に出力用タップが設けられ、変圧された電流を流すことができるものである。

これに対し、本発明者は、トランス全体の形状をリング状として構成し、２次コイルそのものをなくした構成を着想し、本発明を完成したものである。すなわち、本発明の最も大きな特徴は、トランス自体が２次コイルを全く有していないことにある。本発明のトランスには、中空孔に各種装置のアーム等の通電部材が直接入れられ、装置全体がコアに巻かれた２次コイルの役割を果たすことになるものである。
この構成により、トランスの小型・軽量化だけでなく、トランスを搭載した装置全体の小型・軽量化を図ることが可能となるものである。

コア形状としては、貫通孔を有するコアが使用される。貫通孔の形状（断面形状）は、円形であることに限らず、四角形などの角状や、その他の形状であってもよく、最終的に貫通孔に導入される部材の形状によって適宜構成されるものである。ただし、通電部材の一般的形状や製造の容易さを考慮すれば、貫通孔の形状（断面形状）は円形，長方形，又は正方形であることが好適である。また貫通孔の大きさも、最終的に貫通孔に導入される部材の大きさによるものであり、特定の大きさに限定されるものではない。全体としてのコア形状も、リング状・円環状・四角の筒状など、使用されるトランスの用途や場所によって適宜設定されることが出来るものである。したがって、本発明の目的を達成することができる限り、必ずしも特定の形状に限定されるものではない。また、コア（鉄心）の材料についても、ハイライト材(透磁率が低く高周波鉄損が大きいが飽和磁束密度は高い）・オリエント材（冷間圧延した珪素鋼材で、透磁率・高周波鉄損などの特性が良好）・アモルファス材など（非結晶化した珪素鋼材で、飽和磁束密度はやや低いが透磁率・高周波鉄損が良好)などのケイ素鋼板や、高周波領域で特に使用されるフェライト系（酸化鉄を主成分とする酸化物磁性材料で、金属磁性体に比べ体積抵抗が高いという特長があり、渦電流が小さいことから、珪素鋼材系が使えない高周波領域に好適である）など、適宜選択して使用することが出来る。本発明のトランスは特に溶接機械などに使用されると効果が高く、高周波領域に使用されるフェライト系の材質が好適である。また、本発明のトランスにおいて、コアは非分割でも積層形でもよく、より損失が少なく高効率のものを適宜採用することが可能である。本発明の使用態様を考慮すれば、コアは１次コイルとともに絶縁部材でコーティングされることが好ましいが、コアの材質が絶縁性が高く、１次コイルも絶縁コーティングされている場合には、絶縁コーティングは必須でない場合もある。いずれにしても、どのような素材で被覆や製品成形されるにしても、貫通孔に通電部材が通されなければならない。このように、貫通孔が絶縁部材等により被覆される場合や、トランス全体がパッケージングされる場合もあるため、トランス全体として述べるときには、コアの貫通孔とは表現を分け、「中空孔」の語を用いることとしたものであり、いずれの場合においてもコアの貫通孔は中空孔としてトランスに維持され、そこに機械（産業用ロボットを含む）等の装置の通電部材が通されるものである。

１次コイルは、２回以上巻回しされる。本発明のトランスは、基本的に２次側に１次側より大きな電流を流すことを目的としており、また本発明のトランスは機械等の通電部材を中空孔に通すものであるので、結果的かつ典型的には２次側がワンターンとなるトランスを構成するからである。１次コイルの巻回しの回数は、必要とされる電圧・電流に応じて適宜設定されるものであるが、複数の二次電圧が必要な場合や電圧の調整を可能にして汎用性を向上するためには、電源と接続するタップ（端子）を一定の巻き数に応じて複数設け、タップの選択により１次コイルの巻回し回数を適宜選択できる構造であることが好適である。コイルの材質や太さについても、特定のものに限定されないが、絶縁被覆を有する軟銅線であることが典型的かつ好適である。さらに言えば、発熱を抑えるため、パイプ状コイルで構成され、パイプ内に液体等の冷却要素を流すことで冷却を行うことができるコイルであっても良い。

本発明のトランスには、２次コイルは一切設けられない。本発明においては、本発明のトランスを使用する機械の通電部材自体を中空孔に通し、２次コイルの代替とし、全体としてトランスを構成することにあるからである。そして、最も典型的な使用方法によればワンターントランスとなるが、２次側となる通電部材が、トランスに複数回巻かれた状態を排除するものではない。
この構成を使用すると、特に抵抗溶接などの溶接機械などにおいては、本発明のトランスを、溶接機の通電部材から構成された電極を支持するアームに、そのまま腕輪のように設置することができるものである。このような構成を採用すると、トランスから電極までの距離を劇的に短くすることが可能となり、損失を軽減することができ、かつ機械全体の軽量化を図ることができるので、ロボットへの搭載などもより容易になり、様々な点で効率化を図ることができる。また、これまでと全く異なる場所にトランスを設置することが出来るため、機械全体の設計の自由度を広げ、これまでと異なる構成を有する機械等を提供することができるものである。また、上記で機械のアームと述べているのは、溶接機などにおいて電極を指示する部材として慣用され、トランスを腕輪のように通すことから当業者にとって理解しやすい表現であるからである。通電部材は、銅線コイルである必要はなく、２次コイルの代替となるものを広く使用することが可能で、アルミニウム・銅・真鍮など電気抵抗が少ない非鉄金属等の部材が好適である。また、通電部材は、構成される各部材の連結や外観構成が限定されるものではなく、トランスの中空孔に通される通電性素材により構成され、本発明の効果を奏することができるものを広く意味するものである。

さらに、効率を高めるためには、中空孔に通された通電部材と、コアとの間に間隙がなく全体的に接していることが好ましい。しかしながら、１次コイルが巻かれていることにより、一般的なコア形状では必然的にコアと通電部材に距離ができてしまう。そのため、コアの貫通孔の表面には、１次コイルを配置するための導入溝が複数設けられており、当該導入溝に１次コイルが配置されていることが好適である。すなわち、貫通孔の表面には巻かれるコイルを配置するための導入溝（凹部）が設けられ、通電部材が導入されたときに、コアと導入部材の接触が最大限大きくなるように構成されていることが好適である。したがって、導入溝の少なくとも１つには１次コイルが配置されることになるが、ほぼ全ての１次コイル導入溝に１巻き以上の１次コイルが配置されると無駄がなく好ましい。また、各導入溝の深さ及び幅は受け入れる１次コイルの幅及び深さに相応しており、各導入溝の幅及び深さは巻かれた１次コイルの幅及び直径とほぼ同じであることが好適であり、一つの導入溝に１次コイルが複数回巻かれて収納されていても良い。より具体的には、導入溝の深さは１次コイルの直径以上でその２倍以下、幅は巻かれた１次コイルの幅以上であることが好適である。また、余幅はできるだけ少ないことが好ましい。さらに、導入溝は一定の間隔で、同じ深さ・幅で設けられると設計及び製造上容易であるが、１次コイルの巻き数などに応じて自由に設計してもよい。例えば、中空孔の表面のうち、片側半分にだけ導入溝を設けても良い。この構成により、損失をより少なくして高効率のトランスを提供することができるものである。

さらに、冷却効率を向上させるために、冷却パイプが設けられていることが好適である。パイプには、好ましくは水などの冷却用媒体が導入され、コアやコイルの発熱を冷却する。パイプの配置は、環状のコアの側面や外周面に沿って設けられ、貫通孔を狭めないように（貫通孔を除いた箇所に）設けることが好ましい。パイプは複数設けられても良い。

さらに、トランスは、全体的に絶縁材の被覆がなされていることが好適である。この構成により、内部構造が露出せず、トランス形状を任意の形状に成形することが出来、設置や取り扱いが容易になる。ただし、いずれの形状に成形されても、コアの貫通孔は中空孔として維持されている。また、絶縁樹脂をモールド成形することにより製造すればより容易であり好適である。絶縁樹脂は、例えばエポキシ樹脂などの公知の材料を使用することが可能で、モールド成形など各種公知の方法を用いて行うことが出来る。ただし、言うまでもないが、「全体」といっても、１次コイルのタップや、冷却パイプの冷却媒体の出入口などがふさがれてしまっているという意味ではない。また、モールド成形などがされていても、貫通孔の表面については、絶縁樹脂はなるべく薄く（好ましくは5mm以下，より好ましくは2mm以下）被覆されているか、コアが露出していることが好適である。上述の通り、通電部材とコアとの距離が０に近い方が、より効率が良いためである。したがって、中空孔に通されて配置された通電部材は、中空孔の形状・大きさとほぼ一致していることが好ましい。

上述したように、本発明のトランス自体は、２次コイルを有さない。トランスの中空孔に装置の通電部材を通し、閉じた回路を結果として構成することで、通電することが可能となる。すなわち、機械の一部に腕輪のように配置されて、装置全体でワンターントランスを構成する仕組みとして構成されるものである。したがって、本発明のトランスは、大きさや形状は特に限定されないが、例えば厚さ20cm以下、縦横20〜50cm以下程度の大きさで、数Kg程度の小型のトランスであっても大電流を提供することが可能である。

本発明のトランスを搭載した装置のうち、最もその効果を発揮できるもののひとつとしては、溶接用機械（特には抵抗溶接機）が挙げられる。本発明のトランスを使用すれば、これまでのトランスと配置態様が可能になるため、設計の自由度を高めることが可能で、また電極までの距離を縮めることが出来、被溶接物までの距離から生じるインピーダンスによる損失を小さくすることが出来、トランスの効率を向上させることができる。さらに、機械自体をより軽量・小型化することが出来る。そして、このような溶接用機械を多軸で制御され３次元的動作が可能な産業用ロボットに搭載することも容易になる。

具体的には、本発明のトランスをスポット溶接機やシーム溶接機のアームに腕輪のように取り付け、電極で被溶接物を挟んだ状態にすると、装置全体として、２次側に閉じた回路が構成される。このとき、上述の内容から明らかであるように、アームが通電部材により構成されている。また、「アーム」という表現を使用したのは、溶接機械において通常用いられる用語であるという理由だけでなく、トランスが腕輪のように設置されることと対応して態様をより理解しやすくするためであり、部材の連結や外観構成が限定されるものではなく、結果として本発明のトランスの２次コイルを構成することが出来る通電部材を広く意味するものである。さらに、本発明のトランスは、同じ機械に複数個設けることが可能であり、高い出力電流を得ることも可能である。
本発明のトランスは、上述の用途以外にも応用が可能であるだけでなく、ポータブル性が高く取り扱いの応用性も広いものである。例えば、電極等を用いる機械でなくても、一部に抵抗の比較的高い通電部材を使用してその部分を発熱させて、加熱用の機械（例えば液体の加熱用機械）として利用することや、低電圧で大電流が必要な装置の電力の供給源として使用することが可能である。

本発明の以上の構成により、新しい高効率なトランスを提供することが可能となる。また、本発明のトランスを搭載した装置の設計の自由度を向上し、軽量・小型化を図ることが可能となる。また、本発明のトランスを利用した機械又はロボットにおいてインピーダンスによる損失を小さくし、効率も高く、装置の産業用ロボットへの搭載等も容易となる。

本発明のトランスの構造を示す断面図である。 本発明のトランスの構造を示す側面の断面図である。 本発明の別の実施例のトランスの構造を示す断面図である。 図３のＡ部の拡大図である。 本発明の別の実施例のトランスの構造を示す側面の断面図である。 図５のＢ部の拡大図である。 従来のＸ型ガン用の溶接機の構造を示す概略図である。 本発明のＸ型ガン用の溶接機の構造を示す概略図である。 従来のＣガン用の溶接機の構造を示す概略図である。 本発明のＣガン用の溶接機の構造を示す概略図である。 従来のシーム用の溶接機の構造を示す概略図である。 本発明のシーム用の溶接機の構造を示す概略図である。

本発明の実施の形態の１例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明のトランスの構造を示す断面図であり、図２は、本発明のトランスの構造を示す側面の断面図である。図２は、図１を正面とした場合の側面であり、構造の理解を容易にするための図である。

図１及び図２に示すように、本発明のトランス１は、貫通孔２を有するコア３と、コア３に２回以上巻回しされた１次コイル４からなり、２次コイルは有しておらず、絶縁材料５によって被覆され、全体として正面の断面はほぼ正方形、側面の断面は長方形の立方体に成形され、貫通孔２が維持された中空孔６を有している。中空孔６には、後述するように各種機械の通電部材が通され、機械全体としてワンターントランスを構成する。１次コイル４には、タップ７が設けられ、電源と接続される。図の例ではタップ７は１セットしか出ていないが、例えば一定数の巻数毎に設けて、必要とされる電圧を適宜選択できる構成としても良い。

さらに、環状のコア３及び１次コイル４に沿って、前面および背面に一対の水冷パイプ８が設けられている。当該水冷パイプ８には、供給口又は排出口となる１対の供給／排出口９がそれぞれ設けられている。この構成により、トランス１全体を冷却することが可能で、より効率を向上させることが出来る。

図３は、本発明の別の実施例のトランスの構造を示す断面図であり、図５は側面の断面図である。また、図４は図３のＡ部の拡大図であり、図６は図５のＢ部の拡大図である
この実施例においては、コア３の貫通孔２の表面に、１次コイル４を配置するための導入溝１０が複数設けられている。本実施例においては、それぞれの導入溝１０に１次コイル４が２回ずつ巻かれている。そのため、溝の深さは１次コイル４の直径に、幅はその２倍にほぼ相応している。
この構成を採用することにより、中空孔６に通電部材を通したとき、コア３と通電部材との距離が少なく、接触性を高めることができるので、よりトランス１の効率が高くなるものである。

図７は従来のＸ型ガン用の溶接機の構造を示す概略図であり、図８は本発明のＸ型ガン用の溶接機の構造を示す概略図である。
図７に簡略化されて示されているように、従来のＸ型ガン１１は電極１２，上アーム１３及び下アーム１４、連結軸１５，従来のトランス１６などから構成されている。従来のトランス１６の２次側のタップ１７等を介してＸ型ガン１１に接続されて溶接機が構成されている。しかしながら本発明では、Ｘ型ガン１８の上アーム１９（通電部材）がトランス１の中空孔６に通されており、ワーク（図示せず）を挟んだときに閉じた回路となり、機械全体としてワンターントランスを構成している。このような構成により、トランス１から電極１２までの距離が縮まり、インピーダンスによる損失を小さくすることが出来、溶接機自体の小型・軽量化を実現できる。さらに、このＸ型ガンをロボットに搭載することも容易であり、ロボットに必要とされるパワーも少なくて済むものである。さらに、トランス１の配置は図面の位置に限られず、もっとどちらかの電極に近くすることも出来る。したがって、溶接機の重心の位置などを考慮して様々な位置に配置することが可能で、設計上の自由度が飛躍的に向上する。さらには、本発明のトランス１は上アーム１９又は下アーム２０に一つだけでなく複数設けて電流出力を上げることも可能となる。

図９は従来のＣガン用の溶接機の構造を示す概略図であり、図１０は、本発明のＣガン用の溶接機の構造を示す概略図である。
図９に簡略化されて示されているように、従来のＣ型ガン２１は電極２２，アーム２３、加圧機構２４，従来のトランス１６などから構成されている。従来のトランス１６の２次側のタップ１７等を介してＣ型ガン２１に接続されて溶接機が構成されている。しかしながら本発明では、Ｃ型ガン２５のアーム２６（通電部材）がトランス１の中空孔６に通されており、ワーク（図示せず）を挟んだときに閉じた回路となり、機械全体としてワンターントランスを構成している。このような構成により、トランス１から電極２２までの距離が縮まり、インピーダンスによる損失を小さくすることが出来、溶接機自体の小型・軽量化を実現できる。さらに、このＣ型ガンをロボットに搭載することも容易であり、ロボットに必要とされるパワーも少なくて済むものである。さらに、トランス１の配置は図面の位置に限られず、前述の通り様々な位置に配置することが可能で、設計上の自由度が飛躍的に向上する。

図１１は従来のシーム溶接機の構造を示す概略図であり、図１２は本発明のシーム溶接機の構造を示す概略図である。
図１１に簡略化されて示されているように、従来のシーム溶接機２７は一対のローラ電極２８，加圧機構２９、アーム３０，従来のトランス１６などから構成されている。従来のトランス１６の２次側のタップ１７等を介してのシーム溶接機２７に接続されて溶接機が構成されている。しかしながら本発明のシーム溶接機３１では、アーム３２（通電部材）がトランス１の中空孔６に通されており、ワーク（図示せず）を挟んだときに閉じた回路となり、機械全体としてワンターントランスを構成している。このような構成により、トランス１からローラ電極３３までの距離が縮まり、インピーダンスによる損失を小さくすることが出来、溶接機自体の小型・軽量化を実現できる。そのため、本発明のシーム溶接機３１をロボットに搭載することも容易であり、ロボットに必要とされるパワーも少なくて済むものである。さらに、トランス１の配置は図面の位置に限られず、前述の通り様々な位置に配置することが可能で、設計上の自由度が飛躍的に向上する。

１ トランス
２ 貫通孔
３ コア
４ １次コイル
５ 絶縁材料
６ 中空孔
７ タップ
８ 水冷パイプ
９ 供給／排出口
１０ 導入溝
１１ Ｘ型ガン
１２ 電極
１３ 上アーム
１４ 下アーム
１５ 連結軸
１６ 従来のトランス
１７ ２次側のタップ
１８ 本発明のＸ型ガン
１９ 上アーム
２０ 下アーム
２１ Ｃ型ガン
２２ 電極
２３ アーム
２４ 加圧機構
２５ Ｃ型ガン
２６ アーム
２７ シーム溶接機
２８ ローラ電極
２９ 加圧機構
３０ アーム
３１ シーム溶接機
３２ アーム
３３ ローラ電極

Claims (13)

1. 交流電力の電圧を電磁誘導を利用して変換するトランスであって、
   貫通孔を有するコアと、
   コアに２回以上巻回しされた１次コイルからなり、
   ２次コイルを有さず、貫通孔が維持された中空孔を有していることを特徴とするトランス。
2. コアの貫通孔の表面に、１次コイルを配置するための導入溝が複数設けられており、当該導入溝の少なくとも１つに１次コイルが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. コア及び１次コイルが絶縁部材により被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトランス。
4. 各導入溝の深さ及び幅は受け入れる１次コイルの幅及び深さに相応していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のトランス。
5. 少なくとも１つの冷却用パイプが設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のトランス。
6. 絶縁樹脂をモールド成形することにより絶縁部材の被覆がなされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のトランス。
7. 通電部材が、請求項１から６のいずれか１項に記載のトランスの中空孔に通されて配置されていることを特徴とするトランスを搭載した装置。
8. 装置が溶接用機械であることを特徴とする請求項７に記載のトランスを搭載した装置。
9. 装置が抵抗溶接用機械であることを特徴とする請求項８に記載のトランスを搭載した装置。
10. 装置がスポット溶接用機械又はシーム溶接用機械であることを特徴とする請求項９に記載のトランスを搭載した装置。
11. 電極を支持するアームが通電部材で構成され、当該アームにトランスが設けられていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載のトランスを搭載した装置。
12. 装置が加熱用機械であることを特徴とする請求項８に記載のトランスを搭載した装置。
13. トランスが複数個設けられていることを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載のトランスを搭載した装置。

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