JP2014123666A

JP2014123666A - 点火装置

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Publication number: JP2014123666A
Application number: JP2012279718A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Sashita; 和之指田; Hiroshi Jo; 寛史城
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP6067370B2

Abstract

【課題】溶接電源等の大電流電源用の点火装置を小型化する。
【解決手段】一実施形態に係る点火装置１は、点火プラグ２と、一次電圧を昇圧して得られる二次電圧を点火プラグ２に供給する点火用変圧部３とを備え、点火用変圧部３は、磁性材料を含むリングコア４と、リングコア４に巻回され、一次電圧が両端に印加される一次巻線５と、リングコア４の孔４ａを貫通し、一端が点火プラグ２の一端に接続された二次配線６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、点火装置、より詳しくは、溶接電源または溶射電源に用いられる点火装置に関する。

従来、図３示すような点火装置１００が溶接電源または溶射電源等に用いられている。図３は、点火装置１００の概略的な構成を示している。図３に示すように、点火装置１００は、点火プラグ１０２と、一次巻線１０４および二次巻線１０５を有するトランス１０３と、トランス１０３の一次側に接続された一次側回路１１２と、トランス１０３の二次側に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１１５とを備えている。

また、一次側回路１１２は、図３に示すように、直流電源１０８と、スイッチ１０９と、キャパシタ１１０と、補助点火プラグ１１１とを備えている。

点火装置１００では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１５から大電流（例えば２００Ａ）を出力しておく。そして、スイッチ１０９をオンにすることで、キャパシタ１１０を充電する。キャパシタ１１０が充電されると、補助点火プラグ１１１で放電が発生し、トランス１０３の一次巻線１０４にパルス電圧が加わる。これにより、トランス１０３の二次巻線１０５に誘起された二次電圧が点火プラグ１０２に供給され、点火プラグ１０２にアーク放電が生じる。

なお、特許文献１には、リングコア形パルストランスが開示されている。このトランスはスイッチ素子のゲートを駆動するために設けられている。

特開平５−３０４４５１号公報

溶接電源または溶射電源等の場合、着火（点火）の際に、点火プラグ１０２に数ｋＶもの高電圧を印加するとともに、トランス１０３の二次巻線１０５に数百Ａもの大電流を流す必要がある。そのため、従来は、二次巻線１０５として、エッジワイズコイルのような大型のものを使用しなければならず、点火装置を小型化することが困難であった。

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、溶接電源等の大電流電源用の点火装置を小型化することを目的とする。

本発明の一態様に係る点火装置は、
点火プラグと、一次電圧を昇圧して得られる二次電圧を前記点火プラグに供給する点火用変圧部と、を備え、
前記点火用変圧部は、
磁性材料を含むリングコアと、
前記リングコアに巻回され、前記一次電圧が両端に印加される一次巻線と、
前記リングコアの孔を貫通し、一端が前記点火プラグの一端に接続された二次配線と、
を有することを特徴とする。

また、前記点火装置において、
前記点火用変圧部は前記リングコアを複数有し、前記一次巻線は、対応付けられた前記リングコアに巻回されているようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
前記各一次巻線の巻数は同じであり、前記リングコアの数は前記一次巻線の巻数よりも多いようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
前記リングコアの数ｎは、式（１）を満たすようにしてもよい。

ここで、ｎ：リングコアの数、ｔ（ｉ）：第ｉ番目の一次巻線の巻数である。

また、前記点火装置において、
前記二次配線は、正円形の前記リングコアの中心を通るようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
前記二次配線は、前記リングコアのなす平面と直交するようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
前記二次配線のうち少なくとも前記リングコアと交わる部分は、内部に冷却水を流すことが可能であり、導電性を有する材料からなる中空のパイプ材で構成されているようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
前記二次配線のうち少なくとも前記リングコアと交わる部分は、導電性を有する板材で構成されているようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
所定の直流電圧を出力する直流電源と、
一端が前記直流電源の一端に接続されたスイッチと、
一端が前記スイッチの他端に接続され、他端が前記直流電源の他端に接続されたキャパシタと、
一端が前記スイッチの他端に接続された補助点火プラグと、をさらに備え、
前記一次巻線の一端は前記補助点火プラグの他端に接続され、前記一次巻線の他端は前記キャパシタの他端に接続されているようにしてもよい。

また、前記点火装置において、
入力した直流電圧を降圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータであって、出力端の一方が前記二次配線の他端に接続され、前記出力端の他方が前記点火プラグの他端に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備えてもよい。

本発明の一態様に係る点火装置では、リングコアと、該リングコアに巻回された一次巻線と、該リングコアの孔に挿通された二次配線により点火用の変圧器が構成される。したがって、従来の大電流電源用の点火装置のように、エッジワイズコイルのような大型のコイルを用いる必要がなく、点火装置を小型化することができる。

本発明の一実施形態に係る点火装置の概略的な構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る点火装置における変圧動作を説明するための図である。従来の点火装置の概略的な構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る点火装置について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る点火装置１の概略的な構成を示している。

点火装置１は、点火プラグ２と、点火用変圧部３と、点火用変圧部３の一次側に接続された一次側回路７と、点火用変圧部３の二次側に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを備えている。点火プラグ２とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とは、二次配線６により電気的に接続されている。

図１に示すように、点火プラグ２は、一端が二次配線６に接続され、他端がＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力端１５ｂに接続されている。なお、図１に示すように、点火プラグ２の他端は接地されていてもよい。

次に、点火用変圧部３の構成について説明する。

点火用変圧部３は、一次電圧を昇圧して得られる二次電圧を点火プラグ２に供給するためのものであり、リングコア４と、一次巻線５と、リングコア４の孔４ａを貫通する二次配線６とを有する。

リングコア４は、フェライト等の磁性材料を含むリング状のコアである。なお、リングコア４にギャップが設けられていてもよい。

なお、図１に示すように、リングコア４は、複数設けられ、各リングコア４の孔４ａが連通するように互いに近接して配置されていることが好ましい。あるいは、リングコア４同士が互いに接触するように配置してもよい。このようにすることで、鎖交磁束を増やし効率を向上させることができる他、個々のリングコアとしてより小型のものを使用することができ、点火装置をさらに小型化することができる。

一次巻線５は、リングコア４に巻回されている。また、図１に示すように、一次巻線５の両端は一次側回路７に接続されている。これにより、補助点火プラグ１１で放電が発生した際、一次巻線５の両端に一次電圧が印加される。

本実施形態では、図１に示すように、点火用変圧部３は、リングコア４を複数有する。具体的には、リングコア４は３つ設けられ、それに伴い、一次巻線は３本設けられている。一次巻線５の各々は、対応付けられたリングコア４に巻回されている。

また、本実施形態では、各一次巻線５の巻数は同じである。加えて、リングコア４の数は一次巻線５の巻数よりも多い。即ち、３本の一次巻線５の巻数はいずれも１ターンであり、リングコア４の数は３つである。なお、一次巻線５の巻数およびリングコア４の数はこれに限るものではない。後で詳しく説明するように、巻数とリングコア数が所定の条件を満たすことで、点火用変圧部３の二次電圧は一次電圧よりも高くなる。

二次配線６は、大電流用の配線であり、絶縁被覆された導線を有するケーブルである。この二次配線６としては、従来の点火装置においてＤＣ／ＤＣコンバータ１５と二次コイル（エッジワイズコイル等）とを電気的に接続していたケーブルをそのまま適用可能である。

なお、二次配線６は、変換効率の観点から、図１に示すように、正円形のリングコア４の中心を通ることが好ましい。より好ましくは、二次配線６は、図１に示すように、正円形のリングコア４の中心を通り、かつリングコア４のなす平面と直交する。

また、二次配線６のうち少なくとも各リングコア４と交わる部分は、水冷パイプで構成されてもよい。水冷パイプとしては、内部に冷却水を流すことが可能であり、導電性を有する材料からなる中空のパイプ材（例えば銅パイプ）が好ましい。これにより、二次配線６の熱を効率的に放熱させることができる。あるいは、二次配線６のうち少なくとも各リングコア４と交わる部分は、導電性を有する板材（例えば銅板）で構成されてもよい。二次配線６を構成する板材やパイプ材の表面は絶縁膜で保護しておくことが好ましい。

次に、点火用変圧部３の一次側に接続される一次側回路７の構成について説明する。

一次側回路７は、図１に示すように、直流電源８と、スイッチ９と、キャパシタ１０と、補助点火プラグ１１とを有する。

直流電源８は、所定の直流電圧を出力する直流電源である。この直流電源８の電圧は、例えば３ｋＶである。

スイッチ９は、一端（右端）が直流電源８の一端（正極）に接続されたスイッチである。スイッチの種類は問わず、半導体スイッチあるいは機械スイッチ（例えばパワーＭＯＳＦＥＴ、トグルスイッチ等）を適用可能である。

キャパシタ１０は、一端（上端）がスイッチ９の他端（左端）に接続され、他端（下端）が直流電源８の他端（負極）に接続されている。このキャパシタ１０の容量は、例えば容量１μＦである。

補助点火プラグ１１は、一端（右端）がスイッチ９の他端（左端）及びキャパシタ１０の一端（上端）に接続され、他端（左端）が各一次巻線５に接続されている。

図１に示すように、各一次巻線５の一端は、補助点火プラグ１１の他端（左端）に接続され、各一次巻線５の他端はキャパシタ１０の他端（下端）に接続されている。

なお、一次側回路７の構成は上記のものに限られず、パルス状の高電圧を出力可能であれば、他の構成であってもよい。

次に、点火用変圧部３の二次側に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１５について説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、入力した直流電圧を降圧し、降圧した直流電圧を出力端１５ａ，１５ｂから出力するＤＣ／ＤＣコンバータである。図１に示すように、出力端１５ａは二次配線６に電気的に接続されている。また、出力端１５ｂは点火プラグ２に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、例えば３０Ｖ〜４０Ｖ、２００Ａを出力する。

本実施形態に係る点火装置１の点火用変圧部３では、各々に一次巻線５が巻回されたリングコア４をコアとして用い、これらのリングコア４の孔４ａに挿通された二次配線６を二次巻線として機能させる。

次に、上記構成を備える点火装置１の動作について説明する。

点火する際、まず、スイッチ９をオンにし、キャパシタ１０の充電を開始する。キャパシタ１０が充電されるにつれて、補助点火プラグ１１に加わる電圧は高くなる。補助点火プラグ１１に所定の高電圧がかかると、補助点火プラグ１１で放電が発生し、一次巻線５の各々にパルス電圧（一次電圧Ｖ_１）が印加される。これにより、点火用変圧部３の二次配線６に二次電圧Ｖ_２が供給され、点火プラグ２でアーク放電が発生する。

いったん点火プラグ２でアーク放電が発生すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を停止しない限り、放電は継続し、二次配線６には大電流（例えば２００Ａ）が流れ続ける。

ここで、点火装置１の変圧動作について詳しく説明する。図２は、点火装置１における変圧動作を説明するための図である。一次巻線５にパルス状の一次電圧が加わると、リングコア４に巻回された一次巻線５に瞬時的に電流が流れる。そして、この電流により、リングコア４の内部に磁界が発生する。この磁界により、二次配線６には、各リングコア４と交わる部分に、図２に示すように、二次電圧ｖ_２がそれぞれ発生する。

点火用変圧部３の二次電圧Ｖ_２は、各リングコア４について発生する二次電圧ｖ_２の和であるから、式（１）のように表せる。

ここで、ｎはリングコア４の数である。

電圧ｖ_２（ｉ）は、第ｉ番目のリングコア４について発生する電圧であり、式（２）で与えられる。

ここで、ｔ（ｉ）は第ｉ番目の一次巻線５の巻数（ターン数）であり、Ｖ_１は一次巻線５の両端にかかる一次電圧である。なお、第ｉ番目の一次巻線５とは、第ｉ番目のリングコア４に巻回された一次巻線のことである。

本実施形態では、図１に示すように、一次巻線５の巻数が１ターンで、リングコア４が３つであるから、式（１）および式（２）から、Ｖ_２＝３Ｖ_１となる。即ち、図１に示す点火用変圧部３よれば、一次電圧（例えば３ｋＶ）が３倍に増幅される。

また、別の例として、一次巻線５の巻数が２ターンで、リングコア４が３つの場合は、Ｖ_２＝３・（１／２Ｖ_１）＝１．５Ｖ_１となる。

このように、一次巻線５の巻数とリングコア４の数を変化させることで、所望の二次電圧Ｖ_２を得ることができる。

上記のことから分かるように、一次巻線５の巻数が同じ場合は、一次電圧Ｖ_１よりも高い二次電圧Ｖ_２を得るためには、リングコア４の数は一次巻線５の巻数よりも多い必要がある。より一般には、即ち、各一次巻線５の巻数が異なる場合、一次電圧Ｖ_１よりも大きい二次電圧Ｖ_２を得るためには、式（３）を満たす必要がある。

上記したように、本実施形態に係る点火装置１では、リングコア４と、一次巻線５と、リングコア４の孔４ａに挿通された二次配線６により点火用の変圧器を構成する。このため、従来の溶接電源等の大電流電源用の点火装置のように、二次巻線として、エッジワイズコイルのような大型のコイルを用いる必要がない。

よって、本実施形態によれば、点火装置を小型化することができる。このため、本実施形態に係る点火装置は、溶接電源または溶射電源などの大電流電源に用いられる点火装置として好適である。

さらに、二次配線６として従来の接続ケーブルをそのまま使用することができるため、簡易かつ安価な点火装置を提供することができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１点火装置
２点火プラグ
３点火用変圧部
４リングコア
４ａ孔
５一次巻線
６二次巻線
７一次側回路
８直流電源
９スイッチ
１０キャパシタ
１１補助点火プラグ
１５ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ａ，１５ｂ出力端
１００点火装置
１０２点火プラグ
１０３トランス
１０４一次側巻線
１０５二次側巻線
１０８直流電源
１０９スイッチ
１１０キャパシタ
１１１補助点火プラグ
１１２一次側回路
１１５ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

点火プラグと、一次電圧を昇圧して得られる二次電圧を前記点火プラグに供給する点火用変圧部と、を備え、
前記点火用変圧部は、
磁性材料を含むリングコアと、
前記リングコアに巻回され、前記一次電圧が両端に印加される一次巻線と、
前記リングコアの孔を貫通し、一端が前記点火プラグの一端に接続された二次配線と、
を有することを特徴とする点火装置。
前記点火用変圧部は前記リングコアを複数有し、前記一次巻線は、対応付けられた前記リングコアに巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
前記各一次巻線の巻数は同じであり、前記リングコアの数は前記一次巻線の巻数よりも多いことを特徴とする請求項２に記載の点火装置。
前記リングコアの数ｎは、式（１）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の点火装置。

ここで、ｎ：リングコアの数、ｔ（ｉ）：第ｉ番目の一次巻線の巻数である。
前記二次配線は、正円形の前記リングコアの中心を通ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の点火装置。
前記二次配線は、前記リングコアのなす平面と直交することを特徴とする請求項５に記載の点火装置。
前記二次配線のうち少なくとも前記リングコアと交わる部分は、内部に冷却水を流すことが可能であり、導電性を有する材料からなる中空のパイプ材で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の点火装置。
前記二次配線のうち少なくとも前記リングコアと交わる部分は、導電性を有する板材で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の点火装置。
所定の直流電圧を出力する直流電源と、
一端が前記直流電源の一端に接続されたスイッチと、
一端が前記スイッチの他端に接続され、他端が前記直流電源の他端に接続されたキャパシタと、
一端が前記スイッチの他端に接続された補助点火プラグと、をさらに備え、
前記一次巻線の一端は前記補助点火プラグの他端に接続され、前記一次巻線の他端は前記キャパシタの他端に接続されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の点火装置。
入力した直流電圧を降圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータであって、出力端の一方が前記二次配線の他端に接続され、前記出力端の他方が前記点火プラグの他端に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の点火装置。