JP3973644B2 - 溶接機用変圧器モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電気アーク溶接の分野に関し、より詳細には、高周波数で操作され且つ溶接用の出力およびそのような変圧器用のモジュールを有するモジュール変圧器に関する。

本発明は、独立型であってもよくまたは類似モジュールと組み合わせることができて、電気アーク溶接に使用するための高周波数変圧器を形成するモジュールに関する。変圧器用の実際の電気回路は、変動しうる。しかし、代表的な変圧器回路は、Ｂｌａｎｋｅｎｓｈｉｐに付与された特許文献１に示されており、この特許は、背景技術として参照してここに組み込まれる。変圧器モジュールは、変圧器の二次巻線を形成するアセンブリであり、一次巻線は、１つ以上のモジュールを通って差し挟まれる。２つ以上のモジュールを使用するときには、それらはマトリックス変圧器に使用される。この技術は公知であり、Ｈｅｒｂｅｒｔに付与された特許文献２に示されており、この特許はここに組み込まれるため、マトリックス変圧器技術の開示を繰り返す必要はない。Ｈｅｒｂｅｒｔに付与された特許文献３において、２つの隣接する磁気コアには、二次巻線および一次巻線が設けられ、各モジュールは二次巻線の１／２ターンを含む。これらのモジュールは、単に、二次巻線の一部として接続されるべきコアを通して平らな導電性ストリップを提供するだけである。一次巻線は次いで、標準マトリックス変圧器技術にしたがってモジュールを通って差し挟まれる。所与のコアに数ターンを有する類似モジュールは、Ｈｅｒｂｅｒｔの特許文献４に示されている。これらの特許文献は、ここに組み込まれて、マトリックス型変圧器の二次巻線用に使用されるモジュールに関する先行技術を示す。これらの特許のすべては、背景技術として含まれる。

電気アーク溶接では、インバーター等の電源から高電流を形成する必要がある。この目的を達成するために、インバーターは、４０ｋＨｚ等の非常に高い切換周波数で操作されなければならず、そのため、構成要素のサイズは小さく、構成要素のコストは低い。高い切換周波数を使用して電源から高電流を形成するために、単に一次巻線および二次巻線を含む出力変圧器を使用することが標準の技術である。結果として、変圧器は構造が比較的頑健でなければならず、高電流を生成し取り扱うことができる。そのような変圧器は非常に高価であり、かさばる。

米国特許第５，３５１，１７５号明細書 米国特許第４，９４２，３５３号明細書 米国特許第５，９９９，０７８号明細書 米国特許公開第２００２／００７５１１９号明細書

本発明の主要目的は、電気アーク溶接機用のモジュール変圧器を提供することである。

本発明のさらなる目的は、直列に接続される平行な同軸チューブを含み、電気アーク溶接に使用される電源の出力変圧器の一次巻線（単／複）用の中央通路を画成する、上記に規定されたような、モジュールを提供することである。

本発明のさらなる目的は、単一のモジュールに直列に接続される２つの同心導電性チューブを使用して、電気アーク溶接機の出力変圧器用の複数ターンからなる二次巻線を画成する、上記に規定されたような、モジュールを提供することである。

本発明のさらなる目的は、電気アーク溶接に使用される電源の出力にマトリックス変圧器を提供することである。

これらおよび他の目的および利点は、添付の図面と一緒に下記の説明を読めば明らかになるであろう。

本発明は、電気アーク溶接に関し、電源は、４０ｋＨｚ等の高い切換周波数で操作される。本発明によれば、この電気アーク溶接機の出力変圧器は、同軸構成であり、一次巻線が１つ以上のモジュールを通って進むことができるように出力変圧器の二次巻線が構成され、非常にコンパクトな構造および高められた放熱特性を備えた高度の連結された変圧器を生成する。本発明は、単一のモジュールまたは複数のモジュールが電気アーク溶接機に採用されることを可能にする新規で独特なモジュール構造に関する。電力出力用件に依存して、単一または複数のモジュールが使用される。

本発明のモジュールは、管状絶縁体によって分離された同心で入れ子状の導電性チューブの第１の同軸セットと、管状絶縁体によって分離された同心で入れ子状の導電性チューブの第２の同軸セットと、チューブセットの各々のまわりの磁気コアと、を具備し、そのため、導電性チューブの各セットは、少なくとも１つの一次巻線を収容する細長い中央通路を有する。このモジュールは、セットのチューブを一連の回路に接続する導体を含み、そのため、各モジュールの出力は、電気アーク溶接に必要な出力電流の一部に転換するための整流器に接続される。すべてのモジュールからの電流は合計されて、溶接電流を得る。

この独特なモジュール設計を使用することによって、モジュールはそれ自体によって使用され、または、複数のモジュールに１つ以上の一次巻線が差し挟まれることができ、１０００アンペアを超える出力能力を有する溶接電流を生成する。

新規の二次モジュールが、本発明の基本的な基礎単位を構成する。好適な実施の形態は、図１および図２に示され、二次モジュールＡは、並列に１つ以上の一次巻線を収容するように設計された一対の平行円筒形開口を通って、１つ以上の一次巻線Ｐを受け取るように作られる。モジュールＡは、後述されるように、単一の二次巻線として、または、一次巻線Ｐが２つ以上のモジュールＡを通って差し挟まれるマトリックス変圧器の数モジュールの１つとして使用される。好適な実施態様において、モジュールＡは、コネクタ穴１６を有する下部タブ１４で終端する第１のチューブ１２を備えた第１のアセンブリ１０から構成される。チューブ１２の中央通路１８は、モジュールＡが第１のアセンブリ１０しか有さないときに、一次巻線通路として使用される。後述されるように、好適な実施の形態は、普通、銅から形成される２つの同軸導電性チューブを入れ子状にすることによって形成され、且つ、互いのまわりに入れ子状にされる２つのアセンブリを有する。第１のアセンブリ１０の第２のチューブ２０は、下部コネクタ穴２４を備えた末端タブ２２を含み、中央円筒形通路を有する。チューブ１２をチューブ２０に対して固定し、そのためチューブ１２、２０が平行で間隔をおいた関係であるために、第１のジャンパーストラップ３０が設けられる。ストラップ３０の２つの空間穴は、チューブ１２、２０の第１の端を囲繞し、そのため溶接ジョイント３２はチューブを穴内に固定する。記載されている限りは、ジャンパーストラップはチューブの一方の端にあり、チューブ１２、２０は、平行であり、間隔をおかれている。後述されるように、アセンブリ１０のみが使用されてもよい。しかし、好適な実施の形態は、チューブ１２、２０内に入れ子状になるようにより小さい直径を有するチューブを備えた、アセンブリ１０と本質的に同一である第２のアセンブリ４０に関与する同軸関係を含む。アセンブリ４０は、コネクタ穴４６を備えた下部タブ４４と、巻線Ｐを収容するための中央通路４８と、を有する第３のチューブ４２を含む。第４のチューブ５０は、コネクタ穴５４を備えた下部タブ５２を有し、そのため、第３および第４のチューブは、チューブ４２、５０の頂部または第１の端を囲繞する間隔をおいた開口が設けられた第２のジャンパーストラップ６０によって結合することができる。チューブのまわりの溶接ジョイント６２は、チューブをジャンパーストラップ６０の穴内に結合する。この第２のアセンブリ４０は、チューブ４２、５０の直径が実質的にチューブ１２、２０の直径よりも小さいことを除き、第１のアセンブリ１０にきわめて類似している。チューブの間の円筒形のギャップには、ノーメックス絶縁体スリーブまたはシリンダ７０、７２が設けられる。これらの円筒形絶縁体スリーブは、モジュールＡの基本構成要素を形成する同軸チューブを絶縁する。プラスチックのキャップ８０には、２つの横方向に間隔をおいた窪み８４が設けられ、キャップ８２には２つの間隔をおいた窪み８６が設けられる。窪み８４、８６の一方のみが図２に例示される。他方の窪みは同一であり、例示される必要はない。モジュールＡの左同軸アセンブリの構造は、図２の断面図に示される右同軸アセンブリの構造に、本質的に同一である。例示されるように、窪み８４、８６の間に、複数のフェライトのドーナツ型の磁気コア（又はリング）９０〜９８が設けられる。磁気コアを中心に置くために、多数のシリコンワッシャー１００が設けられ、そのため、ヘッド１１２を有するボルト１１０がキャップ８０、８２を一緒にクランプする。この作用は、間隔をおいたリングをモジュールＡの同軸チューブのまわりに保持する。同軸チューブを備えたアセンブリ１０、４０は、弓形の一次巻線ガイド１２２を有する上部プラスチックノーズ１２０によってモジュールＡに保持される。上部プラスチックノーズ１２０は、横方向に間隔をおいたボルト１２４によってキャップ８２に保持される。上部プラスチックノーズ１２０は、横方向に間隔をおいたスロット１２６、１２８を含み、そのため、上部プラスチックノーズ１２０は、間隔をおいたジャンパーストラップ３０、６０によって、アセンブリ１０、４０の１つの縁から中心位置へ移動することができる。モジュールの中心にあるときには、上部プラスチックノーズ１２０は、キャップ８２にボルト留めされる。これは、図２に示される位置で、アセンブリ１０、４０をモジュールＡにクランプし、ジャンパーストラップ３０、６０を間隔をおいた関係に保持する。同軸チューブは、それぞれキャップ８０、８２の円筒形の窪み８４、８６と同心である穴８０ａおよび８２ａによって整列配置される。これらの穴の２つは、キャップの各々に位置する。シリコンワッシャー１００は、磁気コア９０〜９８によって形成された円筒内に同軸チューブの中心を置く。

好適な実施の形態において、モジュールＡは、インバーターから一次巻線によって駆動される高周波数変圧器用の二次巻線として接続される。この電気的配列は、穴１３２、１３４および１３６を有する中心タップコネクタ１３０によって、アセンブリ１０、４０を直列に接続することを含む。リベット１４０は穴１３２を下部タブ５２に接続し、一方、リベット１４２は穴１３６を下部タブ１４に接続する。中心タップコネクタ１３０を安定させるために、タップの端には円筒形ウイング１４４、１４６が設けられており、図２に最良に示される。図３に示されるように、モジュールＡは、ダイオード１５２、１５４および出力端子１５６を有する整流回路１５０に接続される。この配列によって、単一の同軸モジュールは、一次巻線（単／複）Ｐが中央通路４８、５６を通って離れるのを可能にし、そのためモジュールは高周波数変圧器の二次回路である。これは、電気アーク溶接に使用されるときには、本発明の標準的使用方法である。実施の形態の簡略化された線図は、図４に例示され、一次巻線Ｐおよび二次巻線１２／２０および４２／５０を示す。

本発明の態様にしたがって、図５に示されるモジュールＡ’は、端子端３１６、３２４を規定する導電性チューブ１２、２０のみを備えたチューブアセンブリ１０のみを含む。これらの端子は、出力端子１６２、１６４を有する全波整流回路１６０に接続される。チューブ１２、２０は、単一のチューブであってもよい。しかし、本発明において、インダクタンスを最小限にするために２つのチューブを使用している。

複数のモジュールＡが、図６の電極Ｅおよび工作物Ｗによって表される溶接機用の高周波数変圧器を提供するように配列される。このマトリックス変圧器の概念は、図６〜図８に概略的に例示され、モジュールＡ１、Ａ２およびＡ３は、図８に示される複数のモジュールアセンブリの一方の端の端ストラップ１９０、１９２によって、且つ、他方の端の端ストラップ１９４、１９６によって、一緒に結合される。ボルトがモジュールＡ１、Ａ２およびＡ３のまわりのフレームをクランプし、それらを図８に示されるように整列配置して組み立る。通路４８、５６は平行であり、横に並んだ関係で整列配置される。図８に示されるアセンブリの線図は図６に示され、出力端子１５６は端子１７０で並列に接続され、センタータップ１４８は端子１７２で並列に接続される。１つ以上のインバーターからの一次巻線が、図７の線図に概略的に示される。インバーター２００は、一次巻線Ｐ１にＡＣ電流を流す。同様のやり方で、インバーター２０２は、一次巻線Ｐ２にＡＣ電流を流す。これらの２つの一次巻線は、モジュールＡ１、Ａ２およびＡ３を通して一緒に差し挟まれる。実際に、２つの一次巻線は、図８のマトリックス変圧器に使用される。しかし、この種類のマトリックス変圧器には、単一の巻線も使用される。図６〜図８は、単に、図１〜図３の同軸二次変圧器モジュールＡが、単一の二次巻線としてかまたはマトリックス変圧器の並列二次巻線としてかのいずれかで使用されることが可能であることを例示するだけである。他の配列は、モジュールＡを、インバーターと溶接操作との間の変圧器用の二次巻線として使用する。モジュールＡに開示された管状の同軸導体は、個別チューブの中心軸の回りの細長いリボン状らせんに取って代わられることもある。そのようならせん構成は、依然として、同心チューブの間に同軸関係を提供する。「チューブ」という用語は、記載されている限り、連続したチューブ導体か、または、代替の実施の形態に使用されるようならせんチューブを規定する。

本発明に従って作られたモジュールの斜視図である。 同心チューブ構造の一方の側面を部分断面で示すモジュールの側立面図である。 図１および図２に示されるモジュールの電流の流れを例示する概略線図である。 平行な同心チューブモジュールの通路を通って差し挟まれる単一の一次巻線とともに図１から３に示されるモジュールの線図である。 全波整流回路を備えた２つの平行なチューブを使用する修正されたモジュールを例示する図３に類似した概略線図である。 電気アーク溶接機の電力変圧器の出力として接続された図１〜図３に例示された３つのモジュールを示す線図である。 図６に概略的に示され図１〜図３および図８に詳細に示されるモジュールに差し挟まれる一次巻線に使用される高切換速度インバーターの概略線図である。 図１〜図３に開示された複数のモジュールを使用する図６に示されたように接続された３つのモジュールの斜視図である。

符号の説明

１０ 第１のアセンブリ
１２ 第１のチューブ
１４、４４、５２ 下部タブ
１６ コネクタ穴
１８ 中央通路
２０ 第２のチューブ
２２ 末端タブ
２４ 下部コネクタ穴
３０ 第１のジャンパーストラップ
３２、６２ 溶接ジョイント
４０ 第２のアセンブリ
４２ 第３のチューブ
４６、５４ コネクタ穴
４８、５６ 中央通路
５０ 第４のチューブ
６０ 第２のジャンパーストラップ
７０、７２ ノーメックス絶縁体スリーブまたはシリンダ
８０、８２ キャップ
８０ａ、８２ａ 穴
８４、８６ 窪み
９０〜９８ 磁気コア（又はリング）
１００ シリコンワッシャー
１１０ ボルト
１１２ ヘッド
１２０ 上部プラスチックノーズ
１２２ 一次巻線ガイド
１２４ ボルト
１２６、１２８ スロット
１３０ 中心タップコネクタ
１３２、１３４、１３６ 穴
１４０、１４２ リベット
１４４、１４６ 円筒形ウイング
１４８ センタータップ
１５０ 整流回路
１６０ 全波整流回路
１５２、１５４ ダイオード
１５６、１６２、１６４ 出力端子
１７０、１７２ 端子
１９０、１９２、１９４、１９６ 端ストラップ
２００、２０２ インバーター

Claims (13)

1. 高周波数変圧器の二次巻線を形成するモジュールであって、前記モジュールは、
   第１および第２の端を備えた第１の導電性チューブであって、１つ以上の一次巻線を収容するための中央の細長い通路を有する第１の導電性チューブと、
   第１および第２の端を備え、前記第１の導電性チューブにほぼ平行に隣接する第２の導電性チューブであって、前記１つ以上の一次巻線を収容するための中央の細長い通路を有する第２の導電性チューブと、
   前記導電性チューブの各々を囲繞する磁気コアと、
   前記導電性チューブの前記第１の端を結合する第１のジャンパーストラップと、
   第１および第２の端を備えた第３の導電性チューブと、第１および第２の端を備えた第４の導電性チューブと、前記第３および第４の導電性チューブの第１の端を互いに、且つ前記第１および第２の導電性チューブに対して平行な関係に結合する第２のジャンパーストラップとを具備する導電性アセンブリであって、前記第３および第４の平行な導電性チューブは、それぞれ前記第１および第２の導電性チューブの前記通路内に入れ子状になり、且つ、前記一次巻線を収容する細長い通路を有し、前記第２のジャンパーストラップは前記第１のジャンパーストラップから間隔をおいて配置されるように構成した導電性アセンブリと、
   前記第１および第３の導電性チューブ間に設けた第１の管状絶縁体と、
   前記第２および第４の導電性チューブ間に設けた第２の管状絶縁体と、
   前記導電性アセンブリを前記第１および第２の導電性チューブの一方の第２の端へ結合して前記導電性チューブを一連の回路に形成する中央タップコネクタと、
   を含むことを特徴とするモジュール。
2. 前記磁気コアは、前記導電性チューブのまわりに設けた複数のドーナツ型リングで構成されていることを特徴とする請求項１記載のモジュール。
3. 前記平行な導電性チューブの前記中央の細長い通路間には、前記第１および第２のジャンパーストラップにわたり、ガイド面を備えたノーズ片を含むように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール。
4. 前記中央タップコネクタが、モジュールの中央タップになることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモジュール。
5. 前記第１および第２の導電性チューブの一方の前記第２の端と、前記第３および第４の導電性チューブの一方の前記第２の端とは、整流器に接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のモジュール。
6. 前記第１及び第２のジャンパーストラップの間に絶縁体を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のモジュール。
7. 高周波数変圧器の二次巻線を形成するモジュールであって、
   前記モジュールが、管状絶縁体によって分離される同心の入れ子状の導電性チューブからなる第１の同軸セットと、管状絶縁体によって分離される同心の入れ子状の導電性チューブからなる第２の同軸セットと、前記第１及び第２の同軸セットの各々のまわりに設けた磁気コアとを含み、
   前記第１及び第２の同軸セットの各々が、少なくとも１つの一次巻線を収容するための細長い中央通路を有し、
   前記モジュールが、前記第１及び第２の同軸セットの前記導電性チューブを一連の回路に接続する導体を更に具備することを特徴とするモジュール。
8. 前記磁気コアは、前記導電性チューブのまわりに設けた複数のドーナツ型リングで構成されていることを特徴とする請求項７記載のモジュール。
9. 前記導電性チューブは、前記導電性チューブの中心軸のまわりにらせん状になった細長いリボン状の導体によって形成されることを特徴とする請求項７または８に記載のモジュール。
10. 出力変圧器の一次巻線を駆動するための高切換周波数インバーターを具備する電気アーク溶接機において、
    前記出力変圧器は、前記出力変圧器の二次巻線を形成する複数のモジュールを有し、
    前記モジュールの各々は、管状絶縁体によって分離される同心の入れ子状の導電性チューブからなる第１の同軸セットと、管状絶縁体によって分離される同心の入れ子状の導電性チューブからなる第２の同軸セットとを具備し、
    前記同軸セットの各々が、前記一次巻線を収容するための細長い中央通路を有し、
    前記モジュールは、前記導電性チューブを一連の回路に形成する導体を更に有することを特徴とする電気アーク溶接機。
11. 前記モジュールの前記導電性チューブは、各々が、正および負の電流出力を生成する整流器に接続され、且つ、前記電流出力を並列に接続する回路に接続されるように構成したことを特徴とする請求項１０記載の溶接機。
12. 出力変圧器の一次巻線を駆動するための高切換周波数インバーターを具備する電気アーク溶接機において、
    前記出力変圧器は、前記出力変圧器の二次巻線を形成するモジュールを有し、
    前記モジュールは、管状絶縁体によって分離される同心の入れ子状の導電性チューブからなる第１の同軸セットと、管状絶縁体によって分離される同心の入れ子状の導電性チューブからなる第２の同軸セットとを具備し、
    前記同軸セットの各々が、前記一次巻線を収容するための細長い中央通路を有し、
    前記モジュールは、前記導電性チューブを一連の回路に接続する導体を更に有することを特徴とする電気アーク溶接機。
13. 前記モジュールの前記導電性チューブは、各々が、正および負の電流出力を生成する整流器に接続され、且つ前記電流出力を並列に接続する回路に接続されるように構成したことを特徴とする請求項１２記載の溶接機。

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