KR20140089406A - 용접 건에 배열된 전력 소스를 포함하는 저항 용접 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접 워크피스들에 대한 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스(10)를 포함하는 저항 용접 장치(1)에 관한 것이며, 2개의 건 암들(5)을 갖는 용접 건(4)은 각각 용접 전류를 워크피스들(2, 3)에 가하기 위한 하나의 전극(7)을 포함하고, 전력 소스(10)는 적어도 하나의 1차 권선(13) 및 중심 탭을 갖는 적어도 하나의 2차 권선(14)을 갖는 강전류 변류기(12), 상기 강전류 변류기(12)의 적어도 하나의 2차 권선(14)에 연결되고 회로 엘리먼트들(24)을 포함하는 동기 정류기(16) 및 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)을 구동하기 위한 회로(17)를 포함한다. 손실들의 감소 및 효율의 개선을 위해, 전력 소스(10)는 용접 건(4)에 배열되고, 전력 소스(10)는 다중-포인트 접촉들을 형성하기 위해 적어도 4개의 콘택들(20, 21, 22, 23)을 포함하고, 한 극성의 2개의 제 1 콘택들(20, 21)은 하나의 건 암(5)에 연결되고, 반대 극성의 2개의 부가적인 콘택들(22, 23)은 다른 건 암(5)에 연결된다.

Description

용접 건에 배열된 전력 소스를 포함하는 저항 용접 장치{RESISTANCE WELDING DEVICE COMPRISING A CURRENT SOURCE ARRANGED ON A WELDING GUN}
본 발명은 용접 워크피스들에 대한 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스를 포함하는 저항 용접 장치에 관한 것이며, 2개의 건 암들을 갖는 용접 건은 각각 용접 전류를 워크피스들에 가하기 위한 하나의 전극을 각각 포함하고, 전력 소스는 적어도 하나의 1차 권선 및 중심 탭을 갖는 적어도 하나의 2차 권선을 갖는 강전류 변류기, 강전류 변류기의 적어도 하나의 2차 권선에 연결되고 회로 엘리먼트들을 포함하는 동기 정류기 및 동기 정류기의 회로 엘리먼트들을 구동하기 위한 회로를 포함한다.
본 발명은 저항(resistance) 용접 장치들, 특히, 대략 수 kA의 강 직류 전류들이 특히 발생하는 스폿 용접 장치들에 관한 것이다. 이러한 강 직류 전류들이 이용되는 다른 장치들이 또한 본 특허 출원의 주제에 포함된다. 이런 장치들의 예들은 배터리 충전기들, 입자 가속기들, 전기도금을 위한 장비 등이다. WO 2007/041729 A1호는, 예를 들면, 대응하는 강 직류 전류를 생성하기 위한 배터리 충전기 및 변류기를 설명한다.
저항 용접 장치에서, 필요한 강 직류 전류들이 적합한 강-전류 변류기들 및 정류기들을 이용하여 제공된다. 발생하는 강 전류들에 기인하여, 다이오드 정류기들은 상대적으로 고손실들 때문에 불리하고, 따라서 각각의 트랜지스터들에 의해 형성되는 제어 엘리먼트들을 포함하는 능동 정류기들이 주로 이용된다. 그러나, 능동 정류기들, 예를 들면, 동기 정류기들을 갖는 저항 용접 장치들은 또한 상대적으로 고손실들을 갖고, 따라서, 상대적으로 저효율들을 갖는다. 예를 들면, 강-전류 변류기 및 정류의 통상 개별 설계에 의해 종래 기술에서 상당한 라인 길이들 및, 이에 따른 전력 손실들을 초래하기 때문에, 매우 나쁜 효율이 강 전류들에 기인하여 야기된다.
예를 들면, DE 10 2007 042 771 B3호는 전력 손실이 감소될 수 있고 효율이 개설될 수 있는 동기 정류기를 이용함으로써, 저항 용접 장치들의 전력 공급부를 동작하기 위한 방법을 설명한다.
자동차 산업의 생산 라인들에서, 복수의 스폿 용접 장치들(종종 수 100 내지 1000 개의 개별 유닛들)이 제조될 차량의 몸체 및 새시 상의 다양한 연결들을 준비하기 위해 사용된다. 개별 스폿 용접 장치들이 강-전류 변류기들 및 전력 라인들 및 회로 엘리먼트들에 기인하여 이미 고손실들을 초래하기 때문에, 이러한 생산 라인들에서 발생하는 전체 손실들은 매우 큰 크기들, 예를 들면, 1MW 내지 50MW의 범위이다. 손실들이 주로 열 손실의 형태로 반영되기 때문에, 열을 방산하기 위해 한번 더 조치들이 취해져야만 하고, 전체 에너지 균형을 더욱 악화시킨다.
다른 단점은 전기 그리드(grid)의 매우 높은 관련된 전력량들이 이런 설비들의 고손실들 때문에 필요하고, 이는 이런 설비의 제조, 주문 및 동작을 위해 매우 고비용들을 야기한다는 사실에 기인한다.
20kA의 용접 전류를 갖는 단일 스폿 용접점(spot weld)을 초래하기 위해, 150kW까지의 전기 그리드의 연결된 전력량들이 예를 들면, 현재의 관점에서 종래 기술에 따라 필요하고, 135kW까지의 상기 용접 전류 손실들의 이용이 발생되어, 단지 수 10%의 매우 불량한 효율을 달성한다.
따라서, 본 발명의 목적은 저항 용접 장치를 생성하는 것이며, 이들에 의해, 손실들이 감소될 수 있고 에너지 균형 및 효율이 개선될 수 있다. 알려진 장치들의 단점들은 감소되거나 방지되어야 한다.
본 발명의 목적은 용접 워크피스들에 대한 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스가 용접 건에 배열되는 상술된 저항 용접 장치에 의해 해결되며, 상기 전력 소스는 다중-포인트 접촉, 특히 4-포인트 접촉을 형성하기 위해 적어도 4개의 콘택들을 포함하고, 한 극성의 2개의 제 1 콘택들은 하나의 건 암에 연결되고, 반대 극성의 2개의 부가적인 콘택들은 다른 건 암에 연결된다. 다중-포인트 접촉으로 인해, 보통 강전류 변류기의 2차측 또는 동기 정류기의 출력을 저항 용접 장치의 전극들 또는 건 암들에 연결하는데 필요한 라인들이 방지될 수 있거나 그 길이가 감소될 수 있고, 이에 따라 저항손들은 물론 접촉 손실들이 상당히 감소될 수 있다. 이에 따라, 바람직하게는 큰 단면들을 갖는 바람직하게는 짧은 라인들이 용접 건의 유연성을 유지하면서 이용될 수 있다. 추가의 이점은, 이러한 접촉으로 인한 손실들, 특히 접촉 저항 손실들이 감소된다는 것이다. 적어도 4개의 콘택들로 인해(극성 당 2개의 콘택들, 이는 + 극에 대한 2개의 콘택들 및 - 극에 대한 2개의 콘택들을 의미함), 전송될 직류 전류가 절반으로 줄 수 있고, 그에 의해 접촉 손실들이 감소되게 된다. 이는 또한 능동 접촉 영역들이 상당히 증가되고, 이에 따라 결국 접촉 저항들이 감소되는 것을 달성한다. 본 발명에 따른 저항 용접 장치에 의해, 예를 들어, 20kA의 용접 전류를 생성하기 위해 연결된 전력량은 단지 75kW(비교 가능한 종래 기술 장치들에 있어서 150kW에 비교됨)까지 감소될 수 있다는 것이 달성되며, 여기서 60kW의 손실들이 발생한다. 그러므로 약 20% 또는 그 초과까지 대략 2배만큼 높은 효율이 종래 기술에 비해 달성될 수 있다.
적어도 2개의 콘택들이 라인들 없이, 이에 따라 접촉 저항들 없이 건 암에 연결될 때 특히 유리함이 발생한다. 이는 이들 2개의 콘택들이 사실상 전력 소스에 통합되고 저항 용접 장치의 대응하는 부분들, 특히 건 암들에 직접, 즉, 라인들의 부설 없이 연결된다는 점에서 달성될 수 있다. 따라서, 건 암을 강전류 변류기의 콘택들에 직접 연결함으로써, 라인들 없는 연결이 달성되는 반면에, 제 2 건 암은 매우 짧은 라인들에 의해 부가적이 콘택들에 연결되어야 한다. 이러한 방식으로 라인 손실들의 매우 높은 감소가 달성될 수 있는데, 그 이유는 라인 길이가 최소로 감소될 수 있기 때문이다. 종래 기술에서, 강전류 변류기는 이상적으로는 가능한 용접 건에 가까이 위치되어서, 라인들이 이어서 강전류 변류기로부터 용접 건으로 부설되어야 하는 반면에, 본 발명에 따른 해결책에서, 강전류 변류기는 용접 건에 통합되는 반면에 하나의 건 암이 강전류 변류기 상에 직접 장착되어, 단지 제 2 건 암만이 하나의 라인 또는 2개의 짧은 라인들에 의해 연결되어야 하다. 물론, 예를 들어, 슬라이딩 콘택들(sliding contacts) 또는 다른 연결 엘리먼트들이 라인들 대신 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따라, 한 극성의 2개의 제 1 콘택들 및 반대 극성의 2개의 부가적인 콘택들이 각각 서로 대향되게 배열되는 것이 제공되며, 여기서 2개의 부가적인 콘택들은 실질적으로 2개의 제 1 콘택들에 비해 90°만큼 서로 오프셋되게 배열된다. 전력 소스에서 콘택들의 이러한 기하학적 배열은 라인들을 완전히 방지하거나 그 길이를 감소시키고 이에 따라 저항손들은 물론 접촉 손실들을 뚜렷하게 감소시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 가능한 큰 접촉면들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 20kA의 직류 전류를 제공하기 위해 전력 소스 또는 강전류 변류기의 크기조정 시에, 4개의 콘택들 각각은 15cm x 15cm 내지 25cm x 25cm, 바람직하게는, 20cm x 20cm의 영역을 갖는다.
손실들의 추가의 감소들은 동기 정류기 및 전력 소스의 구동 회로를 강전류 변류기에 통합함으로써 그리고 동기 정류기의 몇 개의 회로 엘리먼트들을 병렬로 연결함으로써 그리고 라인들 없이, 강전류 변류기의 적어도 하나의 2차 권선에 동기 정류기의 회로 엘리먼트들을 연결함으로써, 달성될 수 있다. 이러한 구성으로 인해, 강전류 변류기의 2차 측과 동기 정류기 사이에 라인들이 필요 없어서, 가능한 저항손들 및 이러한 라인들을 이용함으로써 발생하는 다른 손실들이 또한 생략된다. 동기 정류기 및 구동 회로에 대한 가능한 공급 회로들은 바람직하게는 강전류 변류기에 또한 통합된다. 바람직하게는, 강전류 변류기에 공급하기 위한 전력 유닛은 연결 라인, 및 이에 따른 라인 손실들 및 라인 유도용량들이 가능한 짧게 하는 것을 달성하기 위해 가능한 그에 근접하게 위치된다.
유리하게는, 동기 정류기의 회로 엘리먼트들은 전계-효과 트랜지스터들로 형성되며, 이들의 드레인들은 그의 하우징들에 의해 형성된다. 하우징들은 라인들 없이 강전류 변류기의 적어도 하나의 2차 권선에 연결된다. 이에 따라 이 배열은 강전류 변류기의 2차 권선들이 전계-효과 트랜지스터들의 하우징에 직접 연결되어서, 이 유닛들 사이에 어떠한 라인들도 필요가 없다는 것을 제공한다.
강한 2차측 전류를 생성하기 위해 강전류 변류기의 필요한 전달비를 달성하기 위해, 강전류 변류기는 본 발명의 추가의 특징에 따라, 직렬로 연결된 복수의, 바람직하게는, 적어도 10개의 1차 권선들 및 병렬로 연결된, 중심 탭을 갖는 복수의, 바람직하게는, 적어도 10개의 2차 권선들을 포함한다. 1차 전류가 직렬로 연결된 강전류 변류기의 1차 권선들을 통해 흐르는 반면에, 상대적으로 강한 2차측 전류는 병렬로 연결된 복수의, 바람직하게는, 10개의 2차 권선들 사이에서 분할된다. 2차 측 상의 부분적인 전류들은 동기 정류기의 대응하는 회로 엘리먼트에 공급된다. 이러한 분할을 이용함으로써, 대응하게 높은 전달비는 낮은 1차 및 2차 권회수들에도 불구하고 발생한다. 이러한 구성을 이용함으로써, 1차측 상에서 더 낮은 권회수들이 종래의 강전류 변류기에 대조적으로 필요하며, 그에 의해 1차 권선의 길이는 감소될 수 있고, 그에 따라 저항손들이 감소될 수 있다. 1차 권선의 감소된 권회수들, 및 이에 따른 라인 길이의 결과적인 감소로 인해, 통상적으로 시스템을 위한 것인 강전류 변류기의 누설 유도용량이 결국 감소되고, 그에 의해 강전류 변류기는 더 높은 스위칭 주파수들, 예를 들어, 10kHz에서 동작될 수 있다. 결국, 더 높은 스위칭 주파수들은 강전류 변류기의 전체 크기 및 무게의 감소 및 이에 따른 유리한 설치 옵션들을 야기한다. 따라서 강전류 변류기는 저항 용접 장치의 전극들에 가능한 가깝게 위치될 수 있다. 따라서, 로봇의 부하 조차도 강전류 변류기의 낮은 무게로 인해 감소될 수 있어서, 작고 더 저렴한 로봇이면 충분할 것이다.
강전류 변류기의 전달비는 강한 2차측 전류의 생성을 보장하기 위해 10 내지 1000, 바람직하게는, 적어도 100이다.
저항 용접 장치의 특히 유리한 구성은 강전류 변류기가 적어도 하나의 각각의 링 코어가 배열되는 리세스들 내의 I-형상의 전기 도전성 물질을 포함한다는 점에서 달성될 수 있으며, 각각의 2차 권선의 하나의 각각의 연결은 I-빔의 내면에 직접 접촉하고, I-빔의 외면들이 전력 소스의 2개의 제 1 콘택들을 형성한다. I-빔은 이에 따라 연결 라인들이 필요하지 않도록 2차 권선이 배열되는 강전류 변류기의 토대를 형성한다. I-빔의 외면들은 저항 용접 장치의 건 암에 직접, 즉, 라인들 없이 연결되는 전력 소스의 2개의 제 1 콘택들을 표현한다. 공간-절약 배열은 링 코어들이 원이 아니라 타원으로 설계된다는 점에서 달성된다. 바람직하게는, 폐 링 코어들(closed ring cores)이 이용된다. 상기 설계를 이용함으로써 1차 권선들 및 2차 권선들의 감소된 권회수로 제공되는 강 직류 전류에 대한 강전류 변류기의 필요한 전달비가 달성되는, 1차 권선들 및 2차 권선들의 직렬/병렬 연결이 달성될 수 있다. 이러한 설계는 병렬로 연결된 적어도 3개의 2차 권선들이 I-빔의 각각의 측 상에 배열될 때 특히 유용하다.
유리하게는, 강전류 변류기의 적어도 하나의 2차 권선의 중심 탭은 라인들 없이 상기 I-빔에 연결된다. 따라서, 개별 부품들 간의 대응하는 라인들이 생략될 수 있다. I-빔의 중심에 2차 권선을 직접 연결함으로써, 연결면의 상당한 증가가 또한 달성되고 이에 따라 접촉 손실들 및 라인 손실들이 재차 감소될 수 있다.
I-빔을 갖는 강전류 변류기의 위에서 언급된 구성에서, 강전류 변류기의 적어도 하나의 1차 권선은 적어도 하나의 링 코어, 특히 I-빔의 리세스들 내의 양 측들 상에 대칭적으로 배열되는 링 코어들을 통해 연장하도록 배열된다. 1차 권선의 이러한 배열을 이용함으로써, 2차 권선들에 대한 최적의 자기 커플링이 달성될 수 있다.
위에서 이미 언급된 바와 같이, 2차 권선들은 강전류 변류기의 I-빔을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 각각의 2차 권선의 각각의 다른 연결들은 동기 정류기 및 구동 회로를 통해, 바람직하게는, 각각 전기 도전성 물질로 이루어진 하나의 콘택 플레이트에 직접 연결되며, 상기 콘택 플레이트는 I-빔의 리세스들 및 그 내부에 배열된 2차 권선들 위에 위치되고, 이들 콘택 플레이트들의 외면들은 전력 소스의 2개의 부가적인 콘택들을 형성한다.
본 발명의 추가의 특징에 따라, 강전류 변류기의 적어도 하나의 1차 권선의 연결들은 I-빔의 외면 상의 적어도 하나의 개구를 관통한다. 이로부터, 강전류 변류기의 1차 권선의 연결들은 대응하는 전력 소스 또는 전력 유닛에 연결될 수 있다.
저항 용접 장치의 유리한 실시예는, 또한 강전류 변류기의, 중심 탭을 갖는 하나의 2차 권선은 서로 절연되고 전기 도전성 물질로 이루어지며 실질적으로 링 코어의 단면 둘레에 그리고 링 코어를 통하는 S-형상 미러-반전된 경로를 갖는 2개의 금속 시트들에 의해 각각 형성된다는 사실로부터 발생하며, 상기 금속 시트들의 외면들은 동기 정류기의 회로 엘리먼트 또는 전극들과의 연결을 위한 콘택들을 형성한다. 이는 극도의 공간-절약 및 간결한 구조를 달성한다. 동시에, 매우 큰 접촉면들은 가능한 손실이 거의 없는 강전류 흐름을 보장하도록 동기 정류기의 회로 엘리먼트 및 I-빔의 중심 또는 중심 웹과 2차 권선의 연결을 위해 이용 가능하다.
강전류 변류기의 2차 권선을 형성하기 위한 금속 시트들은 절연층, 예를 들어, 종이층에 의해 서로로부터 절연된다. 따라서, 하나의 링 코어 상에 2개의 2차 권선들을 배열하고 그에 따라 전체 크기, 무게 및 손실들을 상당히 감소시키는 것이 가능하다. 이러한 배열에 의해, 중심 정류기는 2차측 상에 구현되며, 여기서 I-빔은 중심을 형성하며, 하나는 2차 권선들의 단부에 연결, 특히 납땜된다.
강전류 변류기의 I-빔 및 콘택 플레이트들은 바람직하게는 정육면체 또는 마름돌(ashlar)-형상 유닛을 형성하고, 절기 절연이 I-빔 및 콘택 플레이트들 사이에 배열된다. I-빔의 2개의 외면들은 2개의 제 1 콘택들을 표현하고, 콘택 플레이트들의 2개의 외면들은 90°만큼 오프셋되는 전력 소스의 2개의 부가적인 콘택들을 표현한다. 동기 정류기, 구동 회로, 동기 정류기 및 구동 회로에 대한 공급 회로들과 같이 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스의 모든 추가의 부품들이 이러한 정육면체 또는 마름돌-형상 유닛내로 통합되는 경우, 입력측이 단지 전력 유닛에 연결되어야 하고 출력 측이 단지 저항 용접 장치의 전극들 또는 건 암들에 연결되어야 하는 독자적인 유닛이 형성된다. 전력 소스의 개별 회로들 간의 통상적인 라인들은 생략될 수 있거나, 또는 적어도 그의 길이들이 상당히 감소될 수 있다.
커버 플레이트들이 I-빔의 전면들 상에 배열되는 경우, 정육면체 또는 마름돌-형상의 강전류 변류기의 견고한 유닛이 형성될 수 있다.
상기 커버 플레이트들이 또한 전기 도전성 물질로 형성되고 상기 콘택 플레이트들에 나사결합될 수 있도록 적응되는 경우, 콘택 플레이트들의 전기 연결이 달성될 수 있다. 따라서 2개의 콘택 플레이트들을 전기적으로 서로 연결하는 별개의 전기 라인이 생략되어 전압 또는 전위 균등화를 설정하고 이에 따라 2개의 콘택 플레이트들의 불균형을 방지할 수 있다. 커버 플레이트들은 이에 따라 저항 용접 장치에 대한 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스 또는 강전류 변류기의 대칭적 배열의 2개의 콘택 플레이트들의 전기 연결을 설정한다.
강전류 변류기의 2차 권선을 형성하기 위한 I-빔 및/또는 콘택 플레이트들 및/또는 커버 플레이트들 및/또는 금속 시트들은 바람직하게는, 은 코팅을 갖는 구리 또는 구리 합금으로 형성된다. 구리 또는 구리 합금은 최적의 전기 특성을 갖고 양호한 열 전도율을 나타내어, 발생하는 열 손실이 더 빠르게 방출될 수 있다. 은 코팅은 구리 또는 구리 합금이 산화하는 것을 방지한다. 구리 또는 구리 합금들 대신 알루미늄 또는 알루미늄 합금들이 또한 고려될 수 있으며, 이들은 구리보다 무게 이점이 있지만, 부식에 대한 내성이 그리 높지 않다. 은 코팅 대신, 주석 및 다른 물질들 또는 화합물들 또는 이들의 층들의 코팅이 또한 가능하다.
I-빔 및/또는 콘택 플레이트는 또한 저항 용접 장치의 건 암들에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 이는 저항 용접 장치의 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스가 그 내부에 적어도 부분적으로 통합되는 구성이 형성되는 것을 가능케 한다.
I-빔의 외면들 상은 물론 콘택 플레이트들의 외면들 상에, 연결 장치들, 바람직하게는, 나사들을 수용하기 위한 나사선들을 갖는 천공홀들이 배열될 수 있다. 이들 연결 장치들을 통해, 전력 소스와 저항 용접 장치의 부품들, 특히 직류 전류가 공급되는 건 암들 또는 다른 장치의 기계적 및 전기적 양자의 연결이 설정될 수 있다. 또한, 다양한 다른 엘리먼트들은 이러한 연결 장치들에 의해 I-빔 또는 콘택 플레이트들의 외면에 부착될 수 있다.
본 발명의 추가의 특징에 따라, 2차 권선의 연결부들에, 전류 변환기가 이러한 2차 권선을 통하는 전류를 측정하기 위해 각각 배열되며, 상기 전류 변환기들은 구동 회로에 연결된다. 전류 변환기들은 동기 정류기의 회로 엘리먼트들이 전도 손실들 및 스위칭 손실들을 최소화하기 위해 구동되는 2차측 전류를 측정한다. 강전류 변류기의 토대로서 I-빔을 갖는 전력 소스의 대칭적 배열의 경우에, 2차 권선들이 I-빔의 양 측면들 상에 배열되고 전류 변환기들이 또한 양 측면들 상에 배열된다. 전류 변환기들은 각각 자신 바로 옆에 배열되고 적절한 라인들을 통해 각각의 대향하는 구동 회로에 연결되는 구동 회로에 직접 접촉된다. 2차 권선들의 병렬 연결로 인해, 항상 동일한 전류가 각각의 권선에서 흐르고, 이에 따라 전류 흐름은 전체 전류 흐름에 대한 결론을 내리기 위해 단지 하나의 2차 권선으로부터만 탭핑(tapping)되어야 한다는 것이 본질적이다. 10개의 2차 권선들의 병렬 연결에서, 전체 2차측 전류 흐름의 1/10만이 이에 따라 전류 변환기에 의해 측정되는데, 이는 이들이 실질적으로 더 작은 크기일 수 있기 때문이다. 따라서, 결국, 강전류 변류기 또는 전력 소스의 전체 크기의 감소가 달성된다.
전류 변환기들이 용접 전류의 방향에 대해 실질적으로 90°의 배향으로 배열되게 하는 것이 유리한데, 그 이유는, 이것에 의해 용접 전류에 의해 유도된 자기장의 간섭 및 이에 따른 측정 에러들이 감소될 수 있기 때문이다. 따라서, 매우 정밀한 측정이 수행될 수 있다.
외부 자기장들로부터의 간섭을 방지하기 위해, 각각의 전류 변환기는 하우징에 의해, 바람직하게는, 자기 도전성 물질의 차폐부에 의해 차폐된다. 이러한 차폐들을 위해, 페라이트들(ferrites)이 특히 적합한 물질들이다.
동기 정류기의 회로 엘리먼트들의 전도 손실들 및 스위칭 손실들을 최소화하기 위해, 구동 회로는 2차 권선에서 전류의 제로 크로싱에 도달하기 이전에 미리 설정된 시점에 동기 정류기의 회로 엘리먼트들을 구동하도록 설계된다. 이러한 미리 설정된 시점에 의해, 2차측 전류의 제로 크로싱의 검출로부터 각각의 회로 엘리먼트들의 구동까지 발생하는 지연을 동등하게 하는 것이 가능하다. 이는 동기 정류기의 회로 엘리먼트들의 스위치 온 및 스위치 오프 시간들이 2차측 전류의 제로 크로싱에 의해 결정되는 것이 아니라 정의된 스위치 온 및 스위치 오프 임계치들의 달성에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 스위치 온 및 스위치 오프 임계치들은 예상되는 스위칭 지연들에 따라 정의된다. 스위치 온 및 스위치 오프 임계치들은 손실들을 추가로 감소시키기 위해 기껏해야 조정 가능하게 설계된다. 20kA의 강전류 변류기에서, 스위칭 시간은 모든 부품들, 특히 동기 정류기의 회로 엘리먼트들이 이 시간 기간 내에 스위칭될 필요가 있도록 예를 들어, 제로 크로싱 이전 100ns로 세팅될 수 있다.
저항 용접 장치의 전력 소스에서 발행하는 열 손실들을 방출하기 위해, 냉각 유체를 가이드하기 위한 채널들이 바람직하게는 I-빔 및 콘택 플레이트들에 배열된다. 냉각 유체로서, 물이 특히 적합하지만, 가스 냉각제들이 또한 냉각 채널들을 통해 전달될 수 있고, 열 손실들이 이것을 통해 방출될 수 있다.
냉각 채널들의 바람직한 실시예는 냉각 유체를 공급하기 위한 2개의 유입부들 및 상기 냉각 유체를 방출하기 위한 하나의 배출부가 상기 I-빔의 외면에 배열되고, 상기 냉각 채널들은 각각의 유입부로부터 콘택 플레이트들로 그리고 I-빔을 통해 배출부로 연장하도록 배열된다. 배출부의 단면은 모든 유입부의 단면들의 합에 대응한다. 냉각 채널들의 이러한 경로는 동기 정류기 및 상응하게 민감한 부품들을 갖는 구동 회로의 회로 기판들이 배열되는 콘택 플레이트들이 우선 상응하게 차가운 냉각 유체를 통해 냉각된다는 것을 달성된다. 이어서, 덜 민감한 부품들, 특히 강전류 변류기의 부분들, 즉 2차 권선들에 연결되는 I-빔이 냉각된다.
구동 회로 및 동기 정류기는 바람직하게는, 적어도 하나의 콘택 플레이트의 내면 상에 배열되는 적어도 하나의 회로 기판 상에 배열된다. 적어도 하나의 콘택 플레이트의 내면 상에 동기 정류기 및 구동 회로의 이러한 배열은 동기 정류기의 회로 엘리먼트와 2차 권선들의 연결들의 직접 접촉 즉, 라인들 없는 접촉 및 또한 콘택 플레이트와 동기 정류기의 출력들의 직접 접촉 또는 라인들 없는 접촉을 가능하게 한다. 바람직하게는, 강전류 변류기 또는 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스는 대칭적으로 구성되며, 여기서 구동 회로와 동기 정류기의 부분을 각각 갖는 하나의 회로 기판은 각각의 콘택 플레이트 아래에 대칭적으로 배열된 2차 권선들의 양 측면들에 배열된다.
동기 정류기 및 구동 회로의 각각의 회로 기판은 바람직하게는, 회로 엘리먼트들이 배열되는 개구를 포함하고, 동기 정류기의 회로 기판의 개구들의 장소에서, 콘택 플레이트들의 내면은 돌출부들, 특히 봉우리-형상 돌출부들(pinnacle-shaped protrusions)을 포함하여, 회로 엘리먼트들은 상기 콘택 플레이트들의 내면 상의 회로 기판 상의 개구들 내로 돌출하는 돌출부들을 통해 라인들 없이 접촉될 수 있다. 따라서, 콘택 플레이트와 동기 정류기의 회로 엘리먼트들 간의 연결 라인들이 생략될 수 있고, 그에 의해 한편으로는, 저항손들이 감소될 수 있고 다른 하편으로는, 회로 엘리먼트들과 콘택 플레이트 간의 열 전달이 개선될 수 있다. 최종적으로, 생산 노력은, 연결 라인들이 부설되고 연결될 필요 없지만, 회로 엘리먼트들이 돌출부들에 직접 연결되고, 바람직하게는 납땜되기 때문에, 또한 감소된다. 회로 기판의 간단한 포지셔닝이 돌출부들에 의해 또한 가능하게 되고, 따라서, 제조는 상당히 용이하게 된다.
전계-효과 트랜지스터들에 의해 형성되는 회로 엘리먼트들의 소스 연결들은 돌출부들, 특히 봉우리-형상 돌출부들을 통해, 상기 콘택 플레이트에 전기적으로 및 열적으로 직접 연결되는 설계가 또한 유리한데, 그 이유는 여기서 재차 말하면, 대응하는 라인들이 방지될 수 있기 때문이다.
각각의 회로 기판은 바람직하게는, 필요한 전기 절연을 형성하기 위해 콘택 플레이트와 I-빔 간에 배열된다. 따라서 I-빔과 콘택 플레이트 간의 별개의 전기 절연을 제공할 필요가 없다.
본 발명은 첨부 도면들의 도움으로 보다 상세히 설명된다.
도 1은 로봇 및 그에 고정된 용접 건(gun)을 갖는 개략적 도시의 종래 기술의 저항 용접 장치이다.
도 2는 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스를 갖는 저항 용접 장치의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 3은 저항 용접 장치, 특히, 용접 전류를 제공하기 위한 통합된 전력 소스를 갖는 개략적 도시의 용접 건이다.
도 4는 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 5는 직류 전류를 제공하기 위한 전력 소스의 실시예를 도시한다.
도 6은 도 5에 따른 전력 소스를 분해도로 도시한다.
도 7은 도 5에 따른 전력 소스를 냉각 채널들의 플롯된 과정으로 도시한다.
도 8은 전력 소스의 강-전류 변류기의 I-빔의 도면이다.
도 9는 도 8에 따른 I-빔을 절단하여 도시한다.
도 10은 구동 회로 및 동기 정류기의 인쇄 회로 기판를 포함하는 전력 소스의 강-전류 변류기의 콘택 플레이트이다.
도 11은 도 10에 따른 콘택 플레이트를 절단하여 도시한다.
도 12는 전류 변환기를 갖는 강-전류 변류기의 2차 권선을 분해도로 도시한다.
도 13은 강-전류 변류기의 2차 권선의 설계를 분해도로 도시한다.
도 14는 동기 정류기 및 구동 회로에 전기 에너지를 공급하기 위한 회로의 블록 다이어그램이다.
도 15는 도 14에 따른 공급 회로의 공급 전압의 시간 경과를 도시한다.
도 16은 강-전류 변류기의 2차측 전류들에 따른 동기 정류기의 회로 엘리먼트들의 구동을 설명하기 위한 시간 경과들을 도시한다.
도 1 내지 도 16에 도시된 실시예들에서, 필수 부품들을 갖는 저항 용접 장치(1)의 설계가 설명된다. 도면들에서, 동일 부분들은 동일 참조 부호들로 지시된다.
도 1에서, 적어도 두개의 워크피스(workpiece)들(2, 3)의 저항 용접을 위한, 조작을 위한 로봇을 갖는 저항 용접 장치(1)가 사시도로 도시된다. 저항 용접 장치(1)는 로봇에 부착되고, 2개의 건 암들(5)을 갖는 용접 건(4)으로 구성되는데, 암들에는 전극(7)을 지지하기 위한 홀더들(6) 각각이 배치된다. 전극들(7)은 저항 용접시 접촉 저항을 감소시키고, 전극들(7)을 보호하는 밴드(8)에 의해 각각 순환된다. 게다가, 생성된 스폿 용접점의 밴드(8) 상의 결과적인 이미지가 분석될 수 있고 용접점 품질을 평가하기 위해 사용될 수 있다. 전극들(7)의 보호를 위한 밴드(8)는 용접 건(4) 또는 건 암들(5) 상에 각각 배치될 수 있는 권상 장치(winding device)(9)로부터 풀려 지고, 건 암들(5), 전극 홀더들(6) 및 전극들(7)에 따라 권상 장치(9)로 다시 가이드되며, 여기서, 밴드(8)는 다시-감긴다. 스폿 용접을 수행하기 위해, 대응하는 전력 유닛(19)에 의해 공급되는 용접 전류가 전극들(7)을 통하여 전도된다. 그에 의해 워크피스들(2, 3)은 스폿 용접 프로세스 동안 생성된 스폿 용접점에 의해 함께 연결된다. 통상적으로, 용접 전류를 제공하기 위한 전력 유닛(19)은 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 저항 용접 장치(1)의 외부에 위치된다. 용접 전류는 전기적으로 도전성으로 형성되는 전극들(7) 또는 건 암들(5)에 적합한 라인들(11)을 통하여 공급된다. 용접 전류의 진폭이 수 kA의 범위 내이기 때문에, 라인들(11)을 위한 대응하게 큰 단면들이 필요하여, 대응하게 큰 저항손들(ohmic losses)을 초래한다.
게다가, 긴 주요 공급 라인들은 라인들(11)의 증가된 유도용량을 초래하고, 따라서, 전력 소스(10)의 강-전류 변류기(12)가 동작되는 스위칭 주파수가 제한되어, 매우 큰 강-전류 변류기들(12)을 초래한다. 종래 기술에서, 전력 유닛(19)은 용접 로봇 옆의 스위칭 캐비닛에 위치되고, 그래서 강-전류 변류기(12)까지 매우 긴, 예를 들면, 30m까지의 공급 라인들이 로봇 상의 용접 건(4)을 위해 필요하다.
본 발명에 따른 해결책에서, 무게 및 크기의 상당한 감소가 달성되고, 그래서, 로봇 상에 특히, 건 홀더의 부분에 직접 전력 유닛(19)의 포지셔닝이 가능하게 된다. 게다가, 전력 유닛(19)은 바람직하게는 수냉되도록 설계된다.
도 2는 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스(10)를 갖는 저항 용접 장치(1)의 개략적 블록 다이어그램을 도시한다. 도시된 실시예에서, 전력 소스(10)가 저항 용접 장치(1)를 위한 용접 전류를 제공하기 위해 사용되지만, 전력 소스(10), 특히, 전력 공급부의 전체 설계가 또한 다른 애플리케이션들을 위해 직류 전류를 제공하도록 사용될 수 있다. 전력 소스(10)는 적어도 하나의 1차 권선(13), 중심 탭(tapping)을 갖는 적어도 하나의 2차 권선(14) 및 링 코어(15)를 갖는 강-전류 변류기(12)를 포함한다. 강-전류 변류기(12)에 의해 변환된 전류는 동기 정류기(16)에서 정류되고, 저항 용접 장치(1)의 건 암들(5) 또는 전극들(7)에 공급된다. 동기 정류기(16)를 제어하기 위해, 구동 회로(17)가 구비된다. 구동 회로(17)는 예를 들면, 번류 변환기들(18)을 통하여 측정된 강-전류 변류기(12)의 2차측 전류들에 기반하여 대응하는 트리거 펄스들을 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)로 전송한다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 필요한 라인 길이의 합의 결과로서 강 용접 전류들에 기인하여, 상당한 저항 및/또는 유도성 손실들뿐만 아니라 전도 및 스위칭 손실들 양자가 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)에서 발생한다. 게다가, 또한 정류기에서, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)를 위한 전력 공급부에서 손실들이 발생한다. 따라서, 이러한 저항 용접 장치(1)의 결과적인 효율은 낮다.
강-전류 변류기(12)의 1차측 전류를 생성하기 위해, 전력 유닛(19)이 구비되는데, 이는 전기 그리드와 전력 소스(10) 사이에 배치된다. 전력 유닛(19)은 원하는 진폭 및 원하는 주파수로 1차측 전류를 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)로 제공한다.
도 3은 통합된 전력 소스(10)를 갖는 저항 용접 장치(1)를 개략적 도시로 도시한다. 전력 소스(10)는 저항 용접 장치(1)의 용접 건(4) 또는 건 암들(5) 상에 직접, 특히 지지 부재로서 배치되고, 그래서, 용접 전류를 전극들(7)로 가이드하기 위한 라인들(11) 중 적어도 하나의 부분이 생략될 수 있으며, 따라서, 하나의 건 암(5)과의 연결만이 필요하기 때문에 라인 길이들이 상당히 단축된다. 전력 소스(10)는 멀티-포인트(multi-point) 접촉을 형성하기 위해 적어도 4개의 콘택들(20, 21, 22, 23)을 가지며, 여기서, 하나의 극성의 2개의 제 1 콘택들(20, 21)이 하나의 건 암(5)에 연결되고, 반대 극성의 2개의 추가 콘택들(22, 23)이 다른 건 암(5)에 연결된다. 유리하게, 하나의 극성의 2개의 제 1 콘택들(20, 21) 및 다른 극성의 다른 2개의 콘택들(22, 23)은 각각 서로 대향하여 배치되고, 여기서, 2개의 다른 콘택들(22, 23)은 실질적으로 2개의 제 1 콘택들(20, 21)에 비하여 90°만큼 서로 오프셋되게 배치된다. 강-전류 변류기(12)의 2차측(14)을 저항 용접 장치(1)의 건 암들(5) 또는 전극들(6)에 연결하기 위해 통상적으로 필요한 그 멀티-포인트 접촉 라인에 의해, 방지될 수 있거나 그의 길이가 감소될 수 있고, 따라서, 저항손들뿐만 아니라 접촉 손실들이 상당히 감소될 수 있다. 따라서, 용접 건(4)의 유연성을 유지하면서, 바람직하게는 큰 단면들을 갖는 바람직하게는 짧은 라인들이 이용될 수 있다. 추가 장점은 이러한 접촉에 기인하여, 손실들, 특히, 접촉 저항들이 감소한다는 점에 있다. 적어도 4개의 콘택들(20, 21, 22, 23)에 기인하여, 전송될 용접 전류는 절반으로 줄 수 있고, 이에 의해 유효한 접촉 면적들의 상당한 증가에 기인하여 접촉 저항들이 감소되기 때문에 또한 접촉 손실들의 감소가 야기된다. 예를 들면, 4개의 콘택들(20, 21, 22, 23)의 각각에 20kA의 직류 전류를 제공하기 위한 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)의 치수는 15㎝ × 15㎝ 내지 25㎝ × 25 ㎝, 바람직하게는 20㎝ × 20㎝의 면적을 갖는다.
도시된 실시예에서, 전력 소스(10)는 실질적으로 정육면체-형상으로 형성되고, 여기서, 정육면체의 측면은 콘택들(20, 21, 22, 23)을 형성한다. 2개의 제 1 콘택들(20, 21)은 하나의 전극(7)에 연결되고, 2개의 다른 콘택들(22, 23)은 건 암들(5)을 통하여 저항 용접 장치(1)의 다른 전극(7)에 연결된다. 부분적인 분해도에서 볼 수 있는 바와 같이, 적어도 하나의 건 암(5), 특히 하부의 건 암(5)은 하부 건 암(5)의 지지 부재(23a)를 통하여 연결되는 한편, 다른 것, 특히, 상부 건 암(5)은 플렉시블 커넥터 클램프(23b)를 통하여 추가 콘택들(22, 23)에 연결된다. 적어도 하나의 건 암(5)은 따라서, 강-전류 변류기(12)에 직접 연결되고, 다른 건 암(5)은 매우 짧은, 예를 들면, 50㎝보다 작은 라인을 통하여 그에 연결된다. 전력 소스(10)와 저항 용접 장치(1)의 전극들(7) 또는 건 암들(5) 사이의 라인들(11)이 생략되거나 특히 짧아짐에 의해, 저항 및 유도성 손실들은 상당히 감소될 수 있다.
특정 장점들은, 적어도 두 개의 콘택들(20, 21)이 직접 또는 라인들 없이, 그리고, 따라서 접촉 저항들 없이 건 암(5)에 연결되는 경우 발생한다. 이는 이들 2개의 콘택들(20, 21)이 전력 소스(10)에 가상으로 통합되고, 저항 용접 장치(1)의 대응하는 부분들, 특히, 건 암들(5)에 직접, 즉, 공급 라인들을 부설하지 않고 연결된다는 점에서 달성될 수 있다. 따라서, 건 암(5)을 강-전류 변류기(12)의 콘택들(20, 21)에 직접 연결함으로써, 라인들 없이 연결이 달성되는 반면, 제 2 건 암(5)은 매우 짧은 라인들에 의해 콘택들(22, 23)에 연결되어야 한다. 이렇게 하여, 라인 길이가 최소로 감소되기 때문에 라인 손실들의 매우 큰 감소가 달성될 수 있다. 종래 기술에서, 강-전류 변류기는 라인들이 그 후에 강-전류 변류기(12)에서 용접 건(4)으로 부설되어야 하도록 이상적으로 가능한 용접 건(4)에 근접하게 위치되는 반면, 본 발명에 따른 해결책에서, 강-전류 변류기(12)는 용접 건(4)에 통합되는 한편, 단지 제 2 건 암(5)만이 하나 또는 두 개의 짧은 라인들에 의해 연결되어야만 하도록 하나의 건 암(5)은 강-전류 변류기(12) 상에 직접 장착된다. 물론, 예를 들면, 슬라이딩 콘택들(sliding contacts) 또는 다른 연결 엘리먼트들이 또한 라인들 대신 사용될 수 있다. 또한, 전력 소스(10) 내의 손실들은 전력 소스(10)의 부품들의 간결한 설계 및 직접 연결, 즉, 라인들 없는 연결에 기인하여 상당히 감소될 수 있다.
유리하게, 동기 정류기(16), 구동 회로(17), 전류 변환기(18), 및 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)를 위한 모든 공급 회로들을 포함하는, 전력 소스(10)의 모든 부품들은 정육면체 또는 마름돌(ashlar)-형상 유닛에 포함된다. 즉, 전자 부품들/회로들의 통합에 의해, 구조적 유닛이 정육면체의 형태로 생성되고, 여기서, 사용자는, 적절한 크기로 고성능으로 2차측 상에 직류 전류 또는 직류 전압을 획득하기 위해, 대응하는 교류 전압 또는 대응하는 교류 전류의 형태로 에너지를 1차측 상에 공급하기만 하면 된다. 제어 및 조정은 정육면체 또는 전력 소스(10)에서 독자적으로 수행된다. 그래서, 정육면체 및 전력 소스(10)는 부품들에 강 직류 전류를 공급하기 위해 다목적으로 적용가능하다. 특히, 전력 소스(10)는 저항 용접 프로세스들에서 통상적인 것과 같이, 저전압 및 강 전류를 공급하도록 기능한다.
저항 용접 프로세스에서 사용되는 경우, 정육면체-형상 전력 소스(10)의 부분들은 또한 도시된 바와 같이, 저항 용접 장치(1)의 부품들, 예를 들면, 건 암들(5) 등의 부분들로 형성될 수 있다. 정육면체 또는 전력 소스(10)는 건 암(5)을 정육면체에 직접 부착함으로써 지지 기능을 갖는다. 다른 건 암(5)은 연결 라인들(도시되지 않음)을 통하여 접촉된다. 상기 설계를 이용함으로써, 긴 공급 라인들이 방지될 수 있고, 그래서, 손실들의 상당한 감소가 획득된다. 그러나, 정육면체를 이런 용접 건(4)에 통합하기 위해, 그의 크기를 가능한 작게 유지하는 것이 필요하다. 예를 들면, 20kA까지의 공급될 직류 전류의 크기에서, 정육면체 또는 전력 소스(10)는 10㎝ 내지 20㎝, 특히 15㎝의 측면 길이를 갖는다. 정육면체-형상 전력 소스(10)의 상기 간결한 설계를 이용함으로써, 이를, 예를 들면, 용접 건(4)의 베이스 바디(base body)에 통합하는 것이 용이하게 가능하다.
도 4는 직류 전류, 특히 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스(10)의 개략적 블록 다이어그램을 도시한다. 전력 소스(10)의 이런 바람직한 실시예에서, 강-전류 변류기(12)의 10개의 1차 권선들(13)은 직렬로 연결되고, 중압 탭을 갖는 강-전류 변류기(12)의 10개의 2차 권선들(14)은 병렬로 연결된다. 강-전류 변류기(12)의 이런 설계를 이용함으로써, 2차측 상에 대응하는 강 전류를 달성하기 위한 대응하는 고 전달비(transmission ratio)가 1차 권선들(13)의 낮은 권회수 및 2차 권선들(14)의 낮은 권회수로도 달성될 수 있다. 예를 들면, 100의 전달비는 10개의 1차 권선들(13) 및 또한 10개의 2차 권선들(14)로 달성될 수 있다. 1차 전류가 직렬로 연결된 강-전류 변류기(12)의 1차 권선들(13)을 통하여 흐르는 한편, 상대적으로 강한 2차측 전류가 병렬로 연결된 10개의 2차 권선들(14) 사이에서 분할된다. 2차측 상의 부분 전류들은 동기 정류기(16)의 대응하는 회로 엘리먼트들(24)에 공급된다. 이런 분할을 이용함으로써, 대응하는 고 전달비(여기서 100)는 낮은 1차 및 2차 권회수에도 불구하고 발생한다. 상기 구성을 이용함으로써, 1차 측 상에, 전통적인 강-전류 변류기들에 비하여 더 낮은 권회수가 필요하고, 그에 의해 1차 권선(13)의 길이가 감소될 수 있으며, 그에 의해 저항손들은 감소될 수 있다. 1차 권선(13)의 감소된 권회수 때문에, 그리고, 따라서, 라인 길이의 결과적인 감소 때문에, 시스템을 위해 전형적인 강-전류 변류기(12)의 누설 유도용량은 결과적으로 감소되며, 그에 의해 강-전류 변류기(12)는 더 높은 스위칭 주파수들, 예를 들면, 10㎑에서 동작될 수 있다. 결과적으로, 종래의 강-전류 변류기들에 비하여 더 높은 스위칭 주파수들은 전체 크기의 감소 및 강-전류 변류기(12)의 무게 및, 따라서, 유리한 설치 옵션들을 야기한다. 그래서, 강-전류 변류기(12)는, 예를 들면, 저항 용접 장치(1)의 전극들(7)에 매우 근접하게 위치될 수 있다. 따라서, 용접 로봇의 부하조차도 강-전류 변류기(12)의 더 낮은 무게에 기인하여 감소될 수 있어서 작은, 더 비싸지 않은 용접 로봇이면 충분하다.
1차 및 2차 권선들의 직렬/병렬 연결이 없는 종래의 변류기들은 대응하는 더 많은 1차 권선들이 필요할 것이고, 이는 1차측 상에 상당히 더 긴 와이어 길이들을 초래할 것이다. 더 큰 와이어 길이들에 기인하여, 한편으로는 저항손들은 증가하고, 다른 한편으로는 더 높은 누설 유도용량이 발생하는데, 이는 종래 기술의 변류기가 동작될 수 있는 주파수들이 수 ㎑로 제한되는 이유이다.
그에 반하여, 본 명세서에서 설명된 강-전류 변류기(12)의 구성에서, 시스템의 고유한 1차 권선들(13) 및 2차 권선들(14)의 저항손들 및 누설 유도용량은 낮은데, 이는 10㎑ 및 그 이상의 범위의 주파수들이 사용될 수 있는 이유이다. 그에 의해, 강-전류 변류기(12)의 상당히 더 작은 전체 크기가 결과적으로 달성될 수 있다. 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)의 더 작은 전체 크기는 결과적으로 생성된 전류가, 예를 들면, 저항 용접 장치(1)의 건 암들(5) 상에 필요한 위치에 그것이 더 가까이에 배치되는 것을 가능하게 한다.
강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)을 병렬-연결함으로써, 2차측 상의 결과적인 강 전류는 몇개의 부분 전류들로 분할된다. 이런 부분 전류들은 개략적으로 도시된 바와 같이, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)로 전송된다. 회로 엘리먼트들(24)을 작동시키기 위해, 1차 권선(13) 및 2차 권선(14)의 부분에 도시된 구동 회로(17)가 구비되는데, 여기서, 동기 정류기(16) 및 관련된 센서들을 포함하는 구동 회로(17) 양자가 정육면체 내에 배치되는데, 즉 강-전류 변류기(12) 내에 있다. 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)는 그것들이 전력 소스(10)의 조정 및 제어를 독자적으로, 즉, 외부 영향 없이 수행하도록 형성되고, 크기를 갖는다. 따라서, 정육면체는 바람직하게는 외부로부터의 개립을 위한 제어 라인들을 갖지 않고, 단지 1차-측 공급을 위한 연결들 또는 콘택들 및 발생된 2차-측 전기 에너지, 특히, 강 2차 직류 전류의 전달을 위한 연결들 또는 콘택들만을 갖는다.
그러나, 구동 회로(17)의 대응하는 연결이 구동 회로(17)에 주어진 값을 제공하도록 관통하게 되는 것이 가능하다. 외부 조정들을 이룸으로써, 전력 소스(10)는 이상적으로 응용 분야에 대해 조정될 수 있다. 그러나, 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 어떠한 제어 연결도 관통될 필요가 없도록 무선으로, 바람직하게는 유도성으로, 자기적으로 또는 블루투스를 통하여 동작하는, 데이터를 변경 또는 전송하기 위한 시스템이 이용될 수 있다.
전력 소스(10)의 제어 및/또는 조정은 통합된 센서들을 통하여 이루어진다. 대응하는 전류 변환기들(18)을 이용하여 2차 권선(14)의 2차-측 전류들을 측정함으로써, 구동 회로(17)는 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)이 스위칭되어야 하는 시점에 관한 정보를 획득한다. 전류 변환기들(18)이 강-전류 변류기(12)의 2차-측 전류의 일부, 여기서는 10분의 1만을 측정하기 때문에, 그것들은 더 작게 설계될 수 있어서, 재차 전력 소스(10)의 전체 크기에 긍정적으로 영향을 줄 수 있다.
전도 및 스위칭 손실들을 감소시키기 위해, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)은 바람직하게는 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)을 통하여 2차-측 전류들의 제로 크로싱시 스위칭된다. 특정 지연들이 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 작동에 대하여 전류 변환기들(18)에 의한 2차-측 전류의 제로 크로싱의 검출로부터 발생하기 때문에, 본 발며에 따라 구동 회로(17)는 2차 권선(14)의 전류의 제로 크로싱에 도달하기 이전의 미리 설정된 시점에 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)을 스위칭하도록 형성된다. 따라서, 구동 회로(17)는 전류 변환기들(18)에 의해 측정된 강-전류 변류기(12)의 2차 권선(14)의 전류들이 특정 스위치-온 및 스위치-오프 임계들 아래로 떨어지거나 초과한 시점에 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 스위칭을 야기한다. 상기 방법을 이용함으로써, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)이 실질적으로 강-전류 변류기(12)의 2차 권선(14)을 통한 전류들의 제로 크로싱 동안 스위칭되는 것이 달성될 수 있고, 그에 의해 전도 및 스위칭 손실들이 최소화될 수 있다(또한 도 16 참조).
도 4에서, 또한, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)에 전기 에너지를 공급하기 위한 공급 회로(48)가 1차 권선(13) 및 2차 권선(14)에 대하여 도시된다. 또한, 이런 공급 회로(48)는 바람직하게는 전력 소스(10), 즉, 정육면체에 통합된다. 전력 소스(10)의 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)에 충분한 전기 에너지의 공급이 직류 전류, 예를 들면, 용접 전류의 전달이 필요한 때에 보장되어야 하기 때문에, 공급 회로(48)의 충분히 빠른 작동이 필요하거나(도 15 참조), 그것은 전력 소스(10)의 구동에 의해 충분히 높은 공급 전압이 가능한 빠르게 제공되고 이어서 필요한 전력 또는 필요한 전류가 전달되도록 구성된다.
도 5는 도 3에 따른 전력 소스(10)의 실시예를 확대도로 도시한다. 직류 전류, 예를 들면, 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스(10)는 실질적으로 정육면체 또는 마름돌 형태를 갖고, 여기서, 정육면체 또는 마름돌의 측면들은 발생된 직류 전류가 저항 용접 장치(1)의 건 암들(5) 또는 전극들(7)과 같은 관련한 소비 부하로 전달될 수 있는 콘택들(20, 21, 22, 23)을 나타낸다. 전력 소스(10)의 모든 부품들, 즉, 강-전류 변류기(12), 동기 정류기(16), 구동 회로(17), 전류 변환기들(18), 공급 회로(48) 등은 전력 소스(10)의 이런 정육면체 또는 마름돌-형상 부재에 통합된다. 상기 간결한 설계를 이용함으로써, 전력 소스(10)의 손실들은 특히 낮게 유지될 수 있고, 따라서, 그의 효율은, 라인들 및, 이에 따른 스위칭 시간들의 최적 단축이 전자 부품들, 특히 동기 정류기(16), 구동 회로(17) 및 공급 회로(48)를 포함하는 인쇄 회로 기판들의 통합에 의해 정육면체 내에서 달성되기 때문에, 상당히 감소될 수 있다. 전력 소스(10)의 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)뿐만 아니라 공급 라인들(48)을 강-전류 변류기(12)로 통합함으로써, 그리고, 동기 정류기(16)의 몇개의 회로 엘리먼트들(24)을 병렬 연결함으로써, 그리고 회로 엘리먼트들(24)을 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)에 라인들 없이 연결함으로써, 동기 정류기(16)와 강-전류 변류기(12)의 2차측(14) 사이에 라인은 필요 없고, 그에 의해, 이러한 라인들을 이용함으로써 발생하는 가능한 저항손들 및 다른 손실들이 또한 생략된다. 강-전류 변류기(12)에 공급하기 위한 전력 유닛(19)은 연결 라인들 및, 이에 따른 라인 손실들 및 라인 유도용량을 가능한 짧게 하는 것을 달성하기 위해 가능한 그것에 근접하게 위치된다. 모든 부품들을 통합함으로써, 독자적인 유닛이 형성되는데, 이는 입력측 상에서 전력 유닛(19)에 연결되어야 하고, 출력측 상에서 - 저항 용접 장치(1)의 경우에 - 건 암들(5) 또는 전극들(7)에만 연결되어야 한다. 전력 소스(10)의 단일 회로들 사이의 공통 라인들은 더 이상 필요하지 않거나 적어도 그것들의 길이에서 상당히 감소된다.
전력 소스(10)의 강-전류 변류기(12)의 기반은 기껏해야 예를 들면, 은의 코팅을 가는 전기적으로 도전성 물질, 특히, 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 I-빔(25)의 형태의 변류기 엘리먼트이다. I-빔(25)의 리세스들(25a)에서, 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)을 포함하는 링 코어들(15)이 양측 상에 배치된다. 공간의 면에서, 링 코어들(15)은 원형이 아니고, 타원형 또는 평평한 단면을 갖는 경우 유리하다. 도시된 실시예에서, I-빔(25)의 각 리세스(25a)에서, 5개의 링 코어들(15)이 각각의 2차 권선들(14)과 병렬로 각각 배치된다. 1차 권선(13) 또는 직렬로 상호 연결된 1차 권선들(13)(쇄선)은 I-빔(25)의 리세스들(25a) 및 I-빔(25)의 웹(web) 주변에 배치된 링 코어들(15)을 통하여 연장한다. 1차 권선(13)의 그런 경로를 이용함으로써, 그리고 특히 I-빔(25)의 2개의 리세스들(25a)에서 대칭적으로 배치된 링 코어들(15)에 의해, 2차 권선들(14)에 대한 최적 자기 결합이 달성될 수 있다. 1차 권선(13)의 연결들(26)은 I-빔(25)의 외면들(28) 상의 적어도 하나의 개구들(27)을 관통한다. 강-전류 변류기(12)의 1차 권선(13)은 대응하는 전력 유닛(19)에 상기 연결들(26)을 통하여 연결될 수 있다. I-빔(25)의 외면들(28)은 전력 소스(10)의 2개의 제 1 콘택들(20, 21)을 형성하는데, 이는, 예를 들면, 저항 용접 장치(1)의 전극들(7) 중 하나에 연결된다.
I-빔(25)의 리세스들(25a) 위에, 콘택 플레이트들(29)이 위치되고, 그의 외면들은 전력 소스(10)의 다른 2개의 콘택들(22, 23)을 형성하며, I-빔(25)에 대하여 절연된다. 콘택 플레이트들(29)은 또한 기껏해야 예를 들면, 은으로 이루어진 코팅을 갖는 전기적으로 도전성 물질, 예를 들면, 구리 또는 구리 합금으로 이루어진다. 구리 또는 구리 합금들은 최적 전기 특성들을 갖고, 우수한 열 도전성을 나타내며, 그에 의해 발생하는 열 손실들이 빠르게 방출될 수 있다. 은 코팅은 구리 또는 구리 합금들을 산화로부터 방지한다. 구리 또는 구리 합금 대신, 또한 알루미늄 또는 알루미늄 합금들이 고려되는데, 이는 부식에 대한 내성이 높지는 않더라도 구리에 비하여 무게 장점을 갖는다. 은 코딩 대신, 또한, 주석 및 다른 물질들 또는 화합물들 또는 그의 층들의 코팅이 가능하다. 콘택 플레이트들(29)과 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)의 대응하는 연결들 사이에, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)의 회로 기판들(35)이 배치된다. 상기 회로 기판들(35) 또는 인쇄 회로 기판들은 콘택 플레이트들(29)에 직접 장착되거나 납땜되고, 이어서 절연된 방식으로 I-빔(25)에 부착될 것이다. 상기 설계를 이용함으로써, 강-전류 변류기(12)의 2차-측 연결들은 라인들을 부설할 필요 없이 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)에 직접 연결되거나 접촉될 수 있다. 동기 정류기(16)의 출력들은 또한 바람직하게는 콘택 플레이트들(29)에 직접 연결되고, 그에 의해, 라인들은 필요하지 않다. 콘택 플레이트들(29)은 I-빔(25)에 연결되는데, 바람직하게는 나사로 적소에(도시되지 않음) 고정된다. I-빔(25)의 외면들(28) 상뿐만 아니라 콘택 플레이트들(29)의 외면들 상에, 나사들을 수용하기 위한 대응하는 나사산들을 갖는 천공 홀들(bore holes)과 같은 연결 장치들(30)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 저항 용접 장치(1)의 건 암들(5) 또는 직류 전류가 공급될 다른 장치들로의 라인들이 상기 연결 장치들(30)을 통하여 부착될 수 있거나, 건 암(5)이 I-빔(25) 또는 콘택 플레이트들(29)에 직접 부착될 수 있다.
커버 플레이트들(31)은 정육면체 또는 마름돌-형상 전력 소스(10)의 상측 및 하측에 부착될 수 있고, I-빔(25) 및 콘택 플레이트들(29)에 연결되며, 예를 들면, 나사결합될 수 있다(도 6 참조). 바람직하게는, 커버 플레이트들(31)은 또한 전기적으로 도전성 물질로 이루어지고, 콘택 플레이트들(29)에 나사결합되어, 강-전류 변류기(12)의 견고한 유닛을 초래할 뿐만 아니라, 커버 플레이트들(31)을 통한 콘택 플레이트들(29) 사이의 전기적 연결을 생성한다. 따라서, 전하 균등화가 커버 플레이트(31)를 통하여 발생할 수 있는 것이 달성되고, 따라서, 강-전류 변류기(12)의 평형되지 않은 부하들이 발생하지 않을 것이다. 따라서, 2개의 콘택 플레이트들(29)을 전기적으로 서로 연결할 개별 전기 라인은 전압 및 전위 균등화를 생성하기 위해 그리고 불균형을 방지하기 위해 생략될 수 있다. 그것은 용접 전류를 제공하기 위한 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)의 균형 레이아웃의 콘택 플레이트들(29) 양자의 전기 연결이 커버 플레이트들(31)을 통하여 설정됨을 의미한다. 이런 경우, 물론, I-빔(25)에 걸친 적합한 절연이 제공되는 것이 필요하다. 커버 플레이트들(31)뿐만 아니라 I-빔(25) 및 콘택 플레이트들(29)은 바람직하게는 은 코팅을 갖는 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
I-빔(25)의 외면(28), 특히 제 1 콘택(20) 상에, 냉각 유체를 공급하기 위한 2개의 유입부들(32) 및 냉각 유체를 방출하기 위한 배출부(33)가 전력 소스(10)의 부품들을 냉각하게 하도록 배치된다. 냉각 유체를 방출하기 위한 배출부(33)의 단면은 냉각 유체를 공급하기 위한 모든 유입부들(32)의 단면들의 합을 나타낸다. 냉각 유체의 최적 경로를 위하여, 냉각 채널들(39)은 대응하게 배치된다(도 9 및 도 11 참조). 냉각 유체로서, 물 또는 다른 액체, 그러나 또한 가스 냉각제가 사용될 수 있다.
도 6에 따른 전력 소스(10)의 분해도에서 볼 수 있는 바와 같이, 강-전류 변류기(12)의 2차-측 전류들을 측정하기 위한 전류 변환기들(18)은 상부에 배치된 2차 권선들(14) 상에 직접 위치되는데, 이는 I-빔(25)의 양측 상에 각각의 제 1 또는 가장 위의 2차 권선(14) 상에서, 전류 변환기(18)가, 이러한 2차 권선(14)을 통한 전류가 유도된 전류에 기인하여 결정될 수 있도록 배치되는 것을 의미한다. 전류 변환기들(18)에 의해 측정된 전류들의 외부 자기장들에 의한 조작을 방지하기 위해, 바람직하게는 자기적 도전성 물질, 예를 들면, 페라이트들로 이루어진 하우징(34)이 차폐를 위해 전류 변환기들(18) 위에 배치된다.
전류 변환기들(18)은 각각의 제 1 및 제 2의 2차 권선(14) 상의 I-빔(25)의 양측 상에 배치된다. 1차 권선들(13)을 통하여 흐르는 전류에 기인하여, 전류는 I-빔(25)의 일측 상에서 방출되고, 그에 의해 가장 위의 2차 권선(14)이 따라서, 제 1의 2차 권선(14)을 형성하는 반면, 반대측 상에서, 전류는 이제 가장 위의 2차 권선(14)으로 유입하고, 따라서, 제 2의 2차 권선(14)을 형성한다. 풀 브리지를 이용함으로써, 제 1 및 제 2의 2차 권선들(14)로부터의 전류 흐름을 서로 항상 독립적으로 검출하는 것이 필요하고, 그래서, 전류에 따라 동기 정류기(16)의 대응하는 회로 엘리먼트들(24)이 구동될 수 있다. 따라서, 전류 변환기(18)에 의해 유도된 제어 펄스에 의해 거의 동시에 I-빔(25)의 양측의 회로 엘리먼트들(24)을 구동하는 것 가능하다.
콘택 플레이트들(29)과 I-빔(25) 사이에, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)의 회로 기판들(35)이 배치된다. 동시에, 회로 기판들(35)은 I-빔과 콘택 플레이트들(29) 사이의 필요한 절연을 설정한다. 동기 정류기(16)의 대응하는 회로 엘리먼트들(24)은 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)과 직접 접촉된다. 대응하는 돌출부들(36), 특히, 봉우리(pinnacle)-형상 돌출부들을 통하여, 콘택 플레이트들(29)의 내측 및 회로 엘리먼트들(24)의 아래의 회로 기판(35) 상의 대응하는 개구들(37) 상에서, 회로 엘리먼트들(24)과 콘택 플레이트들(29)의 직접 접촉이 이루어질 수 있다. 회로 엘리먼트들(24)은 바람직하게는 적합한 전계-효과 트랜지스터로 형성되고, 이의 드레인들은 그의 하우징들에 의해 형성된다. 전계-효과 트랜지스터들의 하우징들은 강-전류 변류기(12)의 적어도 하나의 2차 권선(14)에 직접 또는 라인들 없이 연결되고, 그래서, 이들 유닛들 사이에, 어떠한 라인들도 필요하지 않다. 예를 들면, 실리콘 또는 갈륨 질화물로 이루어진 전계-효과 트랜지스터들이 사용된다. 전류 변환기들(18)은 나란히 배치된 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)의 회로 기판(35)에 직접 연결되고, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)의 대향 회로 기판(35)에 적합한 라인(38)을 통하여 연결된다.
도 5 및 도 6에 따른 전력 소스(10)의 조립체는 바람직하게는 2개의 상이한 납땜 온도들을 이용한 납땜 프로세스에 의해 수행된다. 처음에, 2차 권선들(14)은 납땜 물질, 특히, 제 1의 더 높은 온도(TS1), 예를 들면, 260℃에서 용융하는 납땜 주석을 이용하여 I-빔(25)의 리세스들(25a)에 연결된다. 또한, 콘택 플레이트들(29)은 제 1의 더 높은 용융 온도(TS1), 예를 들면, 260℃에서 용융하는 납땜 물질을 이용하여 회로 기판들(35)에 접촉된다. 그 후에, 결과적으로, 제 1 용융 온도(TS1), 예를 들면, 260℃에서 용융하는 납땜 물질을 이용하여, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)의 부품들이 회로 기판(35)에 장착된다. 콘택 플레이트(29) 상의 회로 기판(35)의 캐필러리 작용 때문에, 콘택 플레이트(29)로부터 회로 기판(35)이 느슨해질 위험이 없다. 이러한 단계들 다음에, 2차 권선들(14)의 외부 콘택들 및 회로 기판들(35) 상의 콘택들은 제 1 용융 온도(TS1)에 비하여 낮은 제 2 용융 온도(TS2), 예를 들면, 180℃에서 납땜 물질로 뿌려지고(sprinkled), 회로 기판들(35)을 포함하는 콘택 플레이트들(29)은 I-빔(25)에 연결되며, 바람직하게는 나사결합되고, 이어서 납땜 물질의 제 2 용융 온도(TS2), 예를 들면, 180℃를 이용하여 가열되며, 그래서, 2차 권선들(14)과 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 연결이 설정된다. 상기 제 2의 더 낮은 용융 온도(TS2)의 납땜 물질을 이용함으로써, 더 높은 용융 온도(TS1)의 납땜 물질을 이용하여 생성된 납땜된 조인트(joint)들이 결정화(crystallization) 프로세스들에 의해 용융되거나, 큰 저항을 갖게 되지 않는 것이 보장될 수 있다. 마지막으로, 1차 권선(13)은 링 코어들(15)을 통하여 빠져나가고, 이어서, 전력 변환기들(18)이 장착되고 접촉되며, 라인(38)이 부설된다. 커버 플레이트들(31)을 부착함으로써, 전력 소스(10)가 완성된다. 전력 소스(10)의 부품들에 대한 인장력 및 굽힘력을 감소시키기 위해, 모든 공동(cavity)들이 커버 플레이트들(31)의 조립 이전에 캡슐화될 수 있다. 예를 들면, 커버 플레이트들(31)에 따라서 제공된 개구들(도시되지 않음)을 통하여, 캡슐화는 또한 커버 플레이트들(31)의 조립 다음에 수행될 수 있다.
도 7은 냉각 채널들(39)의 경로(파선)를 나타내는 도 5 및 도 6의 전력 소스(10)를 도시한다. 따라서, 냉각 채널들(39)은 먼저 대칭적으로 배치된 2개의 유입부들(32)로부터 콘택 플레이트들(29)로 연장하는데, 여기서 가장 강력한 가열 소스들(동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24) 및 구동 회로(17)의 부품들) 및 가장 민감한 부품들이 차가운 냉각 유체를 이용하여 냉각된다. 그 후에, 냉각 채널들(39)은 I-빔(25)의 외부 엘리먼트들 및 I-빔(25)의 웹으로 연장하는데, 여기서, 강-전류 변류기(12)의 권선들이 냉각되고, 냉각 채널들(39) 양자는 웹에서 하나의 단일 냉각 채널(39)로 만나는 측에서 이어진다. 그 후에, 냉각 채널들(39)은 냉각 유체를 위한 공통 배출부(33)에서 끝난다. 콘택 플레이트들(29) 및 I-빔(25)의 냉각 채널들은 바람직하게는, 대응하는 위치들 상에서 폐쇄 부재들(41)에 의해 밀폐되는 대응하는 천공 홀들(40)에 의해 형성된다. I-빔(25)과 콘택 플레이트들(29) 사이에, 냉각 채널들(39)을 실링하기 위한 대응하는 실링 부재들(42), 예를 들면, O-링들이 배치된다(도 8 참조).
도 8에서, 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)의 다른 부품들로부터 분리된 강-전류 변류기(12)의 I-빔(25)이 도시된다. 냉각 채널들(39)의 단부 위치들 상에, 예를 들면, O-링들의 형태의 상술한 실링 부재들(42)이 배치된다. I-빔(25)의 리세스들(25a)은 링 코어(15)를 정확하게 수용하도록 설계되고, 그에 의해 매우 간결한 설계가 달성된다. 동시에, I-빔(25)의 웹이 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)의 중심 탭을 위한 접촉면들을 형성한다. 2차 권선들(14)의 중심 탭들은 라인들 없이 I-빔(25)의 웹에 연결되며, 그에 의해 결과적으로, 대응하는 라인들은 생략될 수 있다. 2차 권선들(14)을 I-빔(25)에 직접 연결함으로써, 연결 면의 상당한 증가가 또한 달성되고, 따라서, 접촉 손실들 및 라인 손실들은 한번 더 방지될 수 있다.
I-빔(25)은 2차 권선들(14)이 연결 라인들이 필요하지 않도록 배치되는 강-전류 변류기(12)의 기반을 형성한다다. I-빔(25)의 외면들은 저항 용접 장치(1)의 건 암들(5)에 직접, 즉, 라인들 없이 연결되는 전력 소스(10)의 2개의 제 1 콘택들(20, 21)을 나타낸다. 공간-절약 배치가 링 코어들(15)이 원형이 아니고, 타원 또는 평평하게 설계된다는 점에서 달성된다. 바람직하게는, 폐쇄된 링 코어들(15)이 이용된다. 상기 설계를 이용함으로써, 1차 권선들(13) 및 2차 권선들(14)의 직렬/병렬 연결이 구현될 수 있고, 이에 의해 1차 권선들(13) 및 2차 권선들(14)의 감소된 권회수로 제공될 강 직류 전류에 대한 강-전류 변류기(12)의 필요한 전달비가 달성된다. 이런 설계는 병렬로 연결된 적어도 3개의 2차 권선들(14)이 I-빔(25)의 각 측 상에 배치되는 경우 특히 유용하다.
도 9는 절단선 Ⅸ-Ⅸ을 따른 도 8의 I-빔(25)의 단면도를 도시한다. 이 도면에서, 냉각 유체를 위한 공통 배출부(33)로의 냉각 채널들(39)의 경로를 명백하게 볼 수 있다.
도 10은 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)의 콘택 플레이트(29)뿐만 아니라 그 위에 배치된 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)를 위한 회로 기판(35)을 확대도로 도시한다. 이미 위에서 언급한 바와 같이, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)은 일측 상에서, 강-전류 변류기(12)의 대응하는 2차 권선들(14)에 직접 접촉되고, 타측 상에서, 콘택 플레이트(29)에 직접 연결된다. 이런 목적으로, 돌출부들(36), 특히 봉우리-형상 돌출부들은 콘택 플레이트(29)의 내면 상에 배치되는데, 이는 회로 기판(35) 상의 대응하는 개구들(37)로 돌출되고, 거기서 개구들(37) 위에 배치되는 회로 엘리먼트들(24)의 소스 연결들에 직접 또는 라인들 없이 접촉한다. 돌출부들(36) 때문에, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)과 콘택 플레이트들(29) 사이의 연결 라인들이 생략될 수 있고, 그에 의해, 한편으로는, 저항손들이 감소될 수 있고, 다른 한편으로는, 회로 엘리먼트들(24)과 콘택 플레이트들(29) 사이의 열 전달이 개선될 수 있다. 최종적으로, 생산 노력은, 연결 라인들이 부설되거나 연결될 필요 없지만, 회로 엘리먼트들(24)이 돌출부들(36)에 직접 연결되고, 바람직하게는 납땜되기 때문에, 또한 감소된다. 또한, 회로 기판(35)의 간단한 포지셔닝이 가능하게 되고, 따라서, 생산은 상당히 단순화된다.
콘택 플레이트(29)의 내측 상에 배치되는 회로 기판(35) 상에 구동 회로(17) 및 동기 정류기(16)를 배치함으로써, 2차 권선들(14)의 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)로의 연결들의 직접 접촉 또는 접촉이 라인들 없이 달성될 뿐만 아니라, 동기 정류기(16)의 출력들의 콘택 플레이트(29)로의 직접 접촉 또는 접촉이 라인들 없이 달성된다. 바람직하게는, 직류 전류를 제공하기 위한 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)가 대칭적으로 설계되고, 대칭적으로 배치되는 2차 권선들(14)의 양측 상에서, 각 하나의 회로 기판(35)이 각 하나의 콘택 플레이트(29) 아래의 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)의 일부와 함께 배치된다.
도 10에 따른 동기 정류기(16)에서, 10개의 회로 엘리먼트들(24)은 각각 열(raw)로 배치된다. 병렬로 연결된 모든 회로 엘리먼트들(24)이 실질적으로 동시에 구동되고, 실행-시간 손실들이 거의 유효하지 않음을 보장하기 위해, 양측으로부터의 회로 엘리먼트들(24)의 대칭적인 구동이 수행되며, 이는 바람직하게는 5개의 회로 엘리먼트들(24)이 양측 상에 배치된 게이트 드라이버들을 통하여 우측 및 좌측으로부터 각각 구동된다는 것을 의미한다. 또한 중심으로 연장하는 추가 게이트 드라이버와 같은 상이한 구동 옵션들이 배치될 수 있고, 그에 의해, 그의 라인 길이들 및 그의 유도용량이 3개로 분할된다. 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 게이트들의 이러한 병렬 구동에 의해, 실행-시간 손실들이 발생하지 않거나 거의 발생하지 않기 때문에, 회로 엘리먼트들(24)의 짧은 구동 경로들 및, 이에 따른 거의 동시의 스위칭 시간들이 보장된다.
회로 기판(35)의 콘택 플레이트(29) 상의 장착 동안, 콘택 플레이트(29)의 돌출부들(36)은 회로 기판(35)의 개구들(37)을 통하여 돌출되고, 그에 의해, 회로 기판(35)의 배면은 동시에 콘택 플레이트(29)에 견고하게 연결되거나 납땜될 수 있고, 부가하여 대향하는 측 상에 배치되는 회로 엘리먼트들(24)은 또한 콘택 플레이트(29)에 또한 연결되거나 납땜될 수 있다. 따라서, 통상의 많은 양의 배선이 생략될 수 있다. 또한, 콘택 플레이트(29) 상의 회로 기판(35)의 간단한 포지셔닝이 가능하고, 그것은 납땜시 더 이상 미끄러지지 않을 수 있다. 동기 정류기(16), 구동 회로(17) 및 공급 회로(48)가 회로 기판(35) 상에 배치되는 경우, 독자적인 설계가 회로 기판(35)의 강-전류 변류기(12)로의 통합에서 달성될 수 있다. 개별 회로 엘리먼트들(24)로의 라인 경로들의 단축이 달성되기 때문에, 구동 회로(17)가 병렬 및 직렬로 배치된 회로 엘리먼트들(24)의 양측 상에 배치되는 것이 더 유리하다. 따라서, 매우 짧은 시간 주기 내에, 병렬로 연결된 회로 엘리먼트들(24)의 모두가 스위치 온되는 것이 보장될 수 있다. 구동 회로(17)의 상기 양측 배치에 의해, 라인 길이가 반으로 줄어드는 것 및, 그 결과, 라인 유도용량들의 감소 및, 이에 따른 스위칭 시간들의 상당한 단축이 달성된다. 회로 기판(35)의 일측 상에서, 콘택 플레이트(29)에 납땜되도록 하기 위한 납땜가능한 면이 바람직하게는 전체 면에 걸쳐 제공되고, 그에 의해, 콘택 플레이트(29)로의 견고한 연결이 달성될 수 있다. 따라서, 회로 기판(35)의 전체-면 연결이 더 낮은 접촉 저항을 갖기 때문에, 접촉 저항들이 또한 상당히 감소될 수 있다. 납땜에 의한 바람직한 직접 연결 대신에, 짧은 연결 와이어들, 소위 본딩 와이어들이 또한 제공될 수 있다.
공급 회로(48)는 바람직하게는 대응하는 강 스위칭 전류들, 예를 들면, 800A 내지 1500A, 특히, 1000A를 형성하도록 그리고 부품들에 대응하는 공급 전압을 공급하도록 설계된다. 매우 강한 스위칭 전류에 기인하여, 매우 짧은 스위치 시간이, 특히, ns 범위로 달성될 수 있다. 그에 의해, 회로 엘리먼트들(24)이 항상 낮은 출력 전류로 제로 크로싱 또는 제로-크로싱 바로 전에 즉시 스위칭되고, 그래서, 임의의 스위칭 손실들이 발생하지 않거나 거의 발생하지 않는 것이 보장될 수 있다. 바람직하게는 유도성의, 자기적인, 또는 블루투스를 통한 데이터의 무선 전송을 위한 데이터 통신 회로가 제공되는 경우, 데이터는 무선으로 회로 기판(35)(도시되지 않음)으로부터 그리고 회로 기판(35)으로 전송될 수 있다. 따라서, 스위칭 시점들의 조정은 강-전류 변류기(12)의 애플리케이션의 상이한 영역들에서 이루어질 수 있다. 유사하게, 데이터는 추가로 처리되기 위해 또는 제어 및 품질 제어를 위해 회로 기판(35) 상에 배치된 저장 매체(도시되지 않음)로부터 각각 판독될 수 있다.
동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)에 대한 과전압 보호를 제공하기 위해, 회로 엘리먼트들(24)을 그것이 필요하지 않은 경우 스위치 온하는 것이 유리하다. 이는 저항 용접 장치(1)에 적용하는 경우에, 활성 동기 정류기(16)가 회로 엘리먼트들(24)의 손상을 방지하기 위해 용접 중단시 작동되는 것을 의미한다. 강-전류 변류기(12)를 통하여 1차 전류가 흐르는지 또는 2차 전류가 흐르는지의 여부가 모니터링되고, 용접 건(4)이 새로운 용접 스폿을 위해 대응하게 위치되는 동안 전류가 흐르지 않는 경우, 구동 회로(17)는 게이트들의 대응하는 구동에 의해 모든 회로 엘리먼트들(24)을 작동시킨다. 수동 또는 자동 용접 프로세스가 시작되는 것을 의미하는, 용접 건(4)의 포지셔닝 후에 전력 소스(10)가 작동되는 경우, 교류 전압이 강-전류 변류기(12)의 1차 권선(13)에 인가되고, 이는 결과적으로, 흐르는 전류에 기인하여 구동 회로(17)에 의해 검출되며, 따라서, 회로 엘리먼트들(24)의 보호 모드가 작동정지된다. 물론, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 작동 및 작동정지는 또한 무선을 통하여 또는 유도성으로 또는 자기적으로 구동 회로(17)에 전송되는 제어 신호들을 통하여 수행될 수 있다. 가능한 과전압들은 스위치 온된 회로 엘리먼트들(24)에 해가되지 않을 수 있다. 또한, 제너 다이오드들에 의한 회로 엘리먼트들(24)의 특정 최소 보호가 제공될 수 있다.
도 11은 절단선 ⅩⅠ-ⅩⅠ을 따른 도 10에 따른 콘택 플레이트(29)의 단면도를 도시한다. 이러한 도면에서, 냉각 채널들(39)의 경로를 명백하게 볼 수 있다. 냉각 채널들(39)을 형성하기 위한, 제조 프로세스로부터 발생된 천공 홀들(40)의 개구들은 대응하는 밀폐(closure) 부재들(41)에 의해 실링된다. 밀폐 부재들(41)은 천공 홀들(40) 내에 대응하는 나사산들에 나사결합되는 알맞은 나사들에 의해 구현될 수 있다.
도 12는 강-전류 변류기(12)의 2개의 2차 권선들(14)이 배치되는 링 코어(15) 외에 분해도로 도시되는, 위에 배치된 변류기(18)를 도시한다. 전류 변환기(18)는 차폐 하우징(34) 및 차폐부(43)에 의해 외부 자기장들로부터 보호되고, 그래서, 2차 권선(14)을 통한 2차-측 전류가 가능한 정확하게 측정될 수 있으며, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)을 제어하기 위해 구동 회로(17)에 공급될 수 있다. 자기장들로부터의 차폐를 위해, 페라이트들이 특히 적합한 물질들이다. 전류 변환기(18)가 배치된 2개의 2차 권선들(14) 중 하나의 일부 위에 위치되거나 고정된다. 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 전류 변환기(18)는 그 상에 배치된 권선을 갖는 자기 코어로 형성되고, 여기서, 권선의 콘택들은 구동 회로(17)에 연결된다. 게다가, 링 코어(15)와 2차 권선(14) 사이에, 차폐부(43)뿐만 아니라 전류 변환기(18)를 위한 코어 플레이트가 배치되고, 여기서, 전류 변환기(18)의 코어는 상기 코어 플레이트 상에 배치된다.
강-전류 변류기(12)의 이러한 설계에서, 이런 설계의 2개의 2차 권선들(14)은 구동 회로(17)가 양측 상에 병렬로 연결되고 위치된 2차 권선들(14) 중 하나를 통한 전류 흐름을 측정하도록 I-빔(25)의 양측 상에 배치된다. 구동 회로(17)가 이들 전류 변환기들(18)에 연결되는 경우, 강-전류 변류기(12)의 상태들이 전류 변환기들(18)을 통하여 검출될 수 있기 때문에, 정확한 제어 또는 조정이 가능하게 된다.
위에서 설명된 2차 권선들(14)의 병렬 연결에 기인하여, 매 2차 권선(14)에서, 동일 전류가 흐르고 있다. 따라서, 전류는 전체 전류 흐름에 대하여 결정하기 위해 하나의 2차 권선(14)으로부터 분기되기만 하면 된다. 10개의 2차 권선들(14)의 병렬 연결에서, 전체 전류 흐름의 단지 10분의 1만이 전류 변환기들(18)에 의해 측정되는데, 이는 이것이 상당히 더 작은 크기로 만들어질 수 있는 이유이다. 따라서, 결과적으로, 강-전류 변류기(12) 또는 전력 소스(10)의 전체 크기의 감소가 달성된다. 그에 의해, 직류 전류에 의해 유도된 자기장에 의한 간섭들 및, 이에 따른 측정 오차들이 감소될 수 있기 때문에, 전류 변환기들(18)이 직류 전류, 특히, 용접 전류의 방향에 대하여 실질적으로 90°의 방위로 배치되는 것이 유리하다. 따라서, 매우 정확한 측정이 수행될 수 있다.
도 13에 따른 분해도에서 볼 수 있는 바와 같이, 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)은 바람직하게는 2개의 금속 시트들(44, 45)로 형성되는데, 이는 절연 층(46), 예를 들면, 종이 층에 의해 서로 절연되고, 링 코어(15)의 단면 둘레에 그리고 링 코어(15)를 통해 실질적으로 S-형상 미러-반전된(mirror-inverted) 경로를 가지며, 서로에 배치된다. 이것은 하나의 링 코어(15) 상에, 2개의 2차 권선들(14) 또는 중심 탭을 갖는 2차 권선(14)의 일부들이 배치되는 것을 의미한다. 2차 권선들(14)의 금속 시트들(44, 45)의 외면들(47)은 정류의 중앙으로서 작용하는 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24) 및 I-빔(25)으로의 접촉을 위한 접촉 면들을 동시에 형성한다. 따라서, 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)을 동기 정류기의 회로 엘리먼트들(24)에 연결하기 위한 라인들이 필요하지 않다. 2차 권선들(14), 특히, 2차 권선들(14)을 형성하는 금속 시트들(44, 45)은 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24) 및 I-빔(25)의 웹 또는 정류의 중앙에 직접 또는 라인들 없이 연결된다. 따라서, 저손실들을 갖는, 매우 공간-절약되고, 소형이며, 가벼운 설계가 달성된다. 동시에, 2차 권선(14)을 I-빔(25)의 웹 및 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)에 연결하기 위한 상대적으로 큰 면들(47)이 가능한 작은 손실들을 갖는 강 전류 흐름을 보장하도록 접촉을 위해 제공된다. 이러한 배치에 의해, 중심 정류기는 2차 측 상에서 구현되고, 여기서, I-빔(25)은 2차 권선들(14)의 하나의 연결 단부를 갖는 중앙을 형성하고 있다.
링 코어(15)는 페라이트들, 비정질(amorphous) 물질들 또는 나노결정(nanocrystalline) 원료들로 이루어질 수 있다. 자기 특성들에 대하여 사용된 물질들이 더 우수할수록, 링 코어(15)는 더 작게 설계될 수 있다. 그러나, 링 코어(15)의 가격이 물론 상승하고 있다. 금속 시트들(44, 45)의 설계시, 이들이 적어도 한번 링 코어(15)를 통과하도록 이들이 접히거나 굽혀질 것이 중요하다. 하나의 링 코어(15) 상에 배치된 2개의 금속 시트들(44, 45) 또는 2차 권선들(14)은 미러-반전 방식으로 설계되고, 서로 절연된다.
도 14는 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)에 전기 에너지를 공급하기 위한 공급 회로(48), 특히, 전력 공급 유닛의 블록 다이어그램을 도시한다. 공급 회로(48)는 2차 측 또는 강-전류 변류기(12)의 2차 권선(14)의 연결들에 연결되고, 피크 값 정류기(49), 승압기(voltage increaser)(50), 라인 전압 조절기(51) 및 분압기(52)를 포함한다. 승압기(50) 또는 부스터(booster)는 전력 소스(10)의 부품들의 공급이 빠르게 제공되는 것을 보장한다. 동시에, 능동 동기 정류기(16)의 내부 공급 전압이 가능한 빠르게 발생한다. 승압기(50)를 이용함으로써, 작동의 초기 단계에서 가능한 조기의 시간에 강-전류 변류기(12)에 통합된 동기 정류기(16)의 안전한 기능을 보장하기 위해, 공급 전압의 필요한 진폭이 가능한 조기에 먼저 발생하는 것이 보장된다.
도 15는 도 14에 따른 공급 회로(48)의 공급 전압(V)의 시간 경과를 도시한다. 전압 증가의 기울기 ΔV/Δt는 필요한 전압(VCC)이 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)에서 최대 지연(Td)을 갖고 인가되는 것을 보장하기 위해 충분히 급격하게 선택된다. 예를 들면, 지연(Td)은 <200㎲이어야 한다. 피크값 정류기(49) 및 승압기(50)의 회로들의 적합한 구성 및 적합하게 낮은 용량들에 의해 전압의 충분한 스루 레이트(slew rate)가 달성될 수 있다. 따라서, 먼저 급격한 증가를 갖는 공급 전압의 최소 높이가 보장되고, 그 후, 단지 적합한 공급만이 생성된다고 말할 수 있다.
도 16은 손실-없는 구동의 설명을 위한 강-전류 변류기(12)의 2차-측 전류(IS) 및 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)에 대한 제어 신호들(G1 및 G2)의 시간 경과를 도시한다. 대응하는 전류 변환기들(18)을 이용하여 2차 권선(14)의 2차-측 전류들(IS)을 측정함으로써, 구동 회로(17)는 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)이 스위칭되어야 하는 시점에 관한 정보를 획득한다. 전도 및 스위칭 손실들을 감소시키기 위해, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)은 바람직하게는 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)을 통한 2차-측 전류들의 제로 크로싱에서 스위칭된다. 특정 지연들(tPre)이 전류 변환기들(18)에 의해 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 작동에 대하여 2차-측 전류(IS)의 제로 크로싱의 검출로부터 발생하기 때문에, 구동 회로(17)는, 본 발명에 따르면, 2차 권선(14)의 전류의 제로 크로싱에 도달하기 이전에 미리 설정된 시간에서 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)을 구동하도록 구성된다. 따라서, 구동 회로(17)는 전류 변환기들(18)에 의해 측정된 강-전류 변류기(12)의 2차 권선(14)의 전류들(IS)이 특정 스위치 온 임계(ISE) 및 스위치 오프 임계(ISA) 아래로 떨어지거나 초과하는 시점에서 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 스위칭을 야기한다. 이런 방법을 이용함으로써, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)이 강-전류 변류기(12)의 2차 권선들(14)을 통한 전류들(IS)의 제로 크로싱 동안 실질적으로 스위칭되는 것이 달성될 수 있고, 그에 의해, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 전도 손실들 및 스위칭 손실들이 최소화될 수 있다. 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 스위치 온 및 스위치 오프 시간들은, 따라서, 2차-측 전류의 제로 크로싱에 의해 결정되지 않고, 정의된 스위치 온 임계(ISE) 및 스위치 오프 임계(ISA)의 달성에 의해 결정된다. 스위치 온 임계(ISE) 및 스위치 오프 임계(ISA)는 기대되는 스위칭 지연들에 따라 정의된다. 손실들을 더 감소시키기 위한 스위치 온 임계(ISE) 및 스위치 오프 임계(ISA)는 잘해야 조정가능하게 설계된다. 20㎄의 강-전류 변류기(12)에서, 스위칭 시간은, 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)이 이러한 시간 주기 내에서 스위칭되어야 하도록, 예를 들면, 제로 크로싱 이전에 100㎱로 설정될 수 있다.
예를 들면, 20㎄의 용접 전류를 제공하기 위한 저항 용접 장치를 위한 보통의 종래 기술의 강-전류 변류기는 대략 40-50㎾의 손실들을 나타낸다. 종래 기술에 따라 20㎄의 용접 전류를 제공하기 위해, 총 150㎾까지의 연결된 전력량이 전체적으로 필요하고, 여기서, 총 손실들은 대략 135㎾까지 부가되어 수 10%의 효율을 야기한다. 그에 반하여, 본 발명의 강-전류 변류기(12)는 단지 대략 5-6㎾의 손실들을 나타낸다. 라인 손실들은 통상 30㎾에서 20㎾로 낮아질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 저항 용접 장치(1)에서, 총 손실들이 단지 약 60㎾까지 부가되기 때문에, 20㎄의 용접 전류를 발생하기 위한 연결된 전력량은 75㎾로 감소될 수 있다. 따라서, 약 20%에 의해, 결과적인 효율은 종래 기술만큼 높은 대략 2배이다. 이런 비교로부터, 잠재적인 절약은 특히, 복수의 저항 용접 장치들을 포함하는 자동차 산업의 생산 라인들에서, 명백하게 볼 수 있다.
기본적으로, 설명된 전력 소스(10) 또는 강-전류 변류기(12)는 정육면체 또는 마름돌의 형태로 설계되고, 여기서, 2개의 측면들은 I-빔(25)으로 형성되며, 이 측면들에서, 제 3 및 제 4 측면들을 형성하기 위해 전기적으로 절연된 콘택 플레이트들(29)이 배치된다. 전면에서, 커버 플레이트(31)는 4개의 측면들을 향하여 각각 배치되고, 이는 정육면체 또는 마름돌의 제 5 및 제 6 측면들을 형성하기 위해 I-빔(25)에 대하여 전기적으로 절연된다. 정육면체 내에서, 특히, 측면들 내에서, 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)는 적어도 하나의 회로 기판(35) 또는 인쇄 회로 기판 상에 배치된다. 따라서, 정육면체는 강-전류 변류기(12)의 1차 권선들(13)에 대한 연결들(26) 및 직류 전류 또는 직류 전압의 소모를 위한 접촉 면들로서 측면들만을 갖는다. 게다가, 냉각 연결들, 특히, 냉각 유체를 위한 유입부들(32) 및 배출부(33)가 또한 제공된다. 이런 시스템에서 독자적으로 동작하고 따라서, 전력 유닛(19) 또는 시스템의 제어 디바이스로의 연결들이 필요하지 않기 때문에, 정육면체에 통합된 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)를 위한 제어 라인들은 바람직하게는 제공되지 않는다. 이런 설계에서, 바람직하게는, 제어 라인들이 필요하지 않지만, 전력 소스(10)는 단지 1차 측 상의 전력 유닛(19)에 연결되고, 그 결과, 2차측 상에서, 예를 들면, 15㎄ 내지 40㎄의 대응하는 크기의 직류 전류가 이용가능하다. 따라서, 사용자는 어떠한 조정들도 할 필요가 없고, 단지 전력 소스(10)를 연결하기만 하면 된다. 실제로 독립적인 개별 부품들의 이런 공통 유닛으로의 통합은 전체 크기 및, 이에 따른, 전력 소스(10)의 무게의 실질적인 감소를 야기한다. 동시에, 유닛은 또한 애플리케이션에서 직접 지지 엘리먼트로서, 특히 용접 건(4)으로서 이용될 수 있다. 또한, 사용자 편의가 상당히 증가한다.
본 설계에서, 회로 엘리먼트들(24)을 대응하는 부품들에 라인들 없이 연결하는 것이 더 중요하고, 즉, 용접 와이어를 전도하는 전계-효과 트랜지스터들로 형성된 회로 엘리먼트들(24)의 소스 연결들은 콘택 플레이트(29)의 돌출부들(36)에 직접 연결되거나 납땜되고, 여기서, 회로 엘리먼트들(24)의 게이트 연결들은 또한 회로 기판(35) 및, 그 위에 형성된 구동 회로(17)(게이트 드라이버)에 직접 배치되거나 납땜된다. 따라서, 라인 유도용량들은 높은 스위칭 속도들 및 매우 낮은 전도 손실들이 달성될 수 있도록 라인들을 완전히 생략함으로써 감소될 수 있다.
도시되고 설명된 실시예에서, 강-전류 변류기(12)는 5V 내지 10V의 출력 전압에서 20㎄의 전류를 위한 크기로 만들어졌다. I-빔(25)은 양측 상에서, 링 코어들(15)을 갖는 5개의 2차 권선들(14)이 각각 배치될 수 있도록 15㎝의 전체 높이를 갖는다. 100의 대응하는 전달비를 얻기 위해서, 10개의 1차 권선들(13)이 도시된 실시예에서 필요하다.
강-전류 변류기(12)가 이제 예를 들면, 30㎄의 더 강 전류를 위한 크기가 되는 경우, 사용된 2차 권선들(14)의 수만 단지 증가될 수 있다. 예를 들면, I-빔(25)의 양측 상의 리세스들(25a)에서, 7개의 2차 권선들(14)이 각각 배치될 수 있고, 여기서, I-빔(25)은 그 높이가 대응하게 확대되고, 예를 들면, 단지 5㎝ 더 높게 설계되며, 대응하게 더 큰 베이스 바디가 이용된다. 따라서, 강-전류 변류기(12)의 I-빔(25)은 더 강 전류를 제공할 수 있도록 하기 위해 2개의 2차 권선들(14)만 양측 상에 추가된다. 상기 확장에 의해, 접촉 냉각 면들이 또한 확대된다. 게다가, 대응하게 더 많은 회로 엘리먼트들(24)이 병렬로 배치될 것이다. 1차 권선(13)은 더 낮은 권회수들로, 예를 들면, 7회의 턴으로 감소될 수 있고, 그래서, 예를 들면, 98의 전송이 달성된다. 단면의 가능한 증가에 기인하여 그리고 라인 길이의 감소에 의해, 더 높은 1차 권선 손실들이 더 강한 1차 전류에 의해 보상된다.
따라서, 20㎄에서 30㎄로의 2차 용접 전류의 증가는 단지, 예를 들면, 5㎝만큼 정육면체 또는 강-전류 변류기(12)의 연장을 초래한다.
강-전류 변류기(12)가 바람직하게는 독자적으로 동작하고, 제어 라인들을 포함하지 않기 때문에, 가능한 에러 메시지들에 대한 외부 부품들, 특히 제어 디바이스와의 발신 통신이 가능해야 한다. 이를 위하여, 2차 권선들(14) 및 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)로 구성되는 2차 회로가 사용될 수 있다. 특정 상태들에서, 특히, 강-전류 변류기(12)의 유휴 상태에서, 상기 강-전류 변류기(12)는 1차 라인들의 유휴 상태 전류 흐름이 외부 모니터링 유닛 또는 제어 디바이스에 의해 검출될 수 있고, 따라서, 전류에 기인하여 통신 또는 에러 메시지가 달성될 수 있도록 동기 정류기(16)를 이용하여 의식적으로 단락될 수 있다.
예를 들면, 온도 센서를 강-전류 변류기(12)에, 특히, 동기 정류기(16) 상에 통합함으로써, 온도가 검출되고 평가될 수 있다. 온도가, 예를 들면, 정의된 임계를 초과하는 경우, 유휴 상태에서, 즉, 용접 중지 동안, 동기 정류기(16)는 구동 회로(17)에 의해 정의된 데로 단락된다. 외부 제어 디바이스가 용접이 수행되지 않는 유휴 상태를 알기 때문에, 그것은 강-전류 변류기(12)의 1차 라인들의 증가된 전류 흐름에 의해 검출되거나 인식된다. 이제, 외부 제어 디바이스에 의해 냉각 회로가 작동되는지 또는 결점들을 나타내는지 또는 냉각 효율이 더 우수한 냉각이 수행되도록 증가되는지의 여부가 조사될 수 있다.
물론, 대응하는 스위칭 또는 펄스 패턴들을 통하여, 즉, 유휴 상태의 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)의 정의된 개방 및 폐쇄를 통하여, 상이한 에러 메시지들이 외부로 통신될 수 있다. 예를 들면, 상이한 온도 값들, 2차 전압들, 전류들, 에러 메시지들 등이 외부로 전송될 수 있다.
그러나, 이러한 검출이 명백히 더 어려울지라도, 이러한 통신이 용접 동안 수행되는 것이 또한 가능하다. 예를 들면, 대응하는 신호들은 1차-측 전류로, 특히 1차 권선들(13)에 의해 변조될 수 있다.

Claims (30)

  1. 용접 워크피스들(welding workpieces)에 대한 용접 전류를 제공하기 위한 전력 소스(10)를 포함하는 저항 용접 장치(1)로서,
    2개의 건 암들(gun arms)(5)을 갖는 용접 건(4)은 각각 용접 전류를 워크피스들(2, 3)에 가하기 위한 하나의 전극(7)을 포함하고,
    상기 전력 소스(10)는 적어도 하나의 1차 권선(13) 및 중심 탭을 갖는 적어도 하나의 2차 권선(14)을 갖는 강전류 변류기(12), 상기 강전류 변류기(12)의 적어도 하나의 2차 권선(14)에 연결되고 회로 엘리먼트들(24)을 포함하는 동기 정류기(16) 및 상기 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)을 구동하기 위한 회로(17)를 포함하고,
    상기 전력 소스(10)는 상기 용접 건(4)에 배열되고, 상기 전력 소스(10)는 다중-포인트 접촉들을 형성하기 위해 적어도 4개의 콘택들(20, 21, 22, 23)을 포함하고,
    한 극성의 2개의 제 1 콘택들(20, 21)은 하나의 건 암(5)에 연결되고, 반대 극성의 2개의 부가적인 콘택들(22, 23)은 다른 건 암(5)에 연결되는,
    저항 용접 장치(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 건 암(5)은 라인들 없이 적어도 2개의 콘택들(20, 21, 22, 23)에 고정(fasten)되는,
    저항 용접 장치(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 한 극성의 2개의 제 1 콘택들(20, 21) 및 반대 극성의 2개의 부가적인 콘택들(22, 23)은 각각 서로 대향되게 배열되고, 2개의 부가적인 콘택들(22, 23)은 실질적으로 상기 2개의 제 1 콘택들(20, 21)에 비해 90°만큼 서로 오프셋되게 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기 정류기(16) 및 상기 구동 회로(17)는 상기 강전류 변류기(12)에 통합되는,
    저항 용접 장치(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기 정류기(16)는 병렬로 연결된 복수의 회로 엘리먼트들(24)을 포함하고, 상기 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)은 상기 강전류 변류기(12)의 적어도 하나의 2차 권선(14)에 라인들 없이 연결되는,
    저항 용접 장치(1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)은 드레인들이 자신의 하우징들에 의해 형성되는 전계-효과 트랜지스터들로 형성되고, 상기 하우징은 라인들 없이 상기 강전류 변류기(12)의 적어도 하나의 2차 권선(14)에 연결되는,
    저항 용접 장치(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)는,
    직렬로 연결된 복수의, 바람직하게는, 적어도 10개의 1차 권선들(13) 및 병렬로 연결된, 중심 탭을 갖는 복수의, 바람직하게는, 적어도 10개의 2차 권선들(14)을 포함하는,
    저항 용접 장치(1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)의 전달비(transmission ratio)는 적어도 10 내지 1000, 바람직하게는, 적어도 1000인,
    저항 용접 장치(1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)는,
    적어도 하나의 각각의 링 코어(15)가 배열되는 리세스들(25a)에, 전기 도전성 물질의 I-빔(25)을 포함하며, 각각의 2차 권선(14)의 하나의 각각의 연결은 상기 I-빔(25)의 하나의 내면에 직접 접촉되고, 상기 I-빔(25)의 외면들(28)이 상기 전력 소스(10)의 상기 2개의 제 1 콘택들(20, 21)을 형성하는,
    저항 용접 장치(1).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)의 적어도 하나의 2차 권선(14)의 중심 탭은 라인들 없이 상기 I-빔(25)에 연결되는,
    저항 용접 장치(1).
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)의 적어도 하나의 1차 권선(13)은 상기 적어도 하나의 링 코어(15)를 통해 연장하도록 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 콘택 플레이트들(29)은 상기 I-빔(25)의 리세스들(25a) 위에 위치되고, 상기 콘택 플레이트들(29)은 전기 도전성 물질로 이루어지며 동기 정류기(16) 및 구동 회로(17)를 통해 각각의 2차 권선(14)의 각각의 다른 연결들에 연결되는 상기 콘택 플레이트들(29)의 외면들은 전력 소스(10)의 2개의 부가적인 콘택들(22, 23)을 형성하는,
    저항 용접 장치(1).
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 1차 권선(13)의 연결들(26)은 상기 I-빔(25)의 외면(28) 상의 적어도 하나의 개구(27)를 관통하는,
    저항 용접 장치(1).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중심 탭을 갖는 하나의 2차 권선(14)은 서로 절연되고 전기 도전성 물질로 이루어지며 링 코어(15)의 단면 둘레에 그리고 링 코어(15)를 통하는 실질적으로 S-형상 미러-반전된 경로를 갖는 2개의 금속 시트들(44, 45)에 의해 각각 형성되며, 상기 금속 시트들(44, 45)의 외면들(47)은 상기 전극들(7) 또는 상기 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)과의 연결을 위한 콘택들을 형성하는,
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)의 I-빔(25) 및 콘택 플레이트들(29)은 정육면체 또는 마름돌(ashlar)-형상 유닛을 형성하고, 절기 절연이 상기 I-빔(25) 및 상기 콘택 플레이트들(29) 사이에 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  16. 제 15 항에 있어서,
    커버 플레이트들(31)이 상기 I-빔(25)의 전면들에 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트들(31)은, 상기 콘택 플레이트들(29)이 전기적으로 연결되도록 전기 도전성 물질로 형성되고 상기 콘택 플레이트들(29)에 나사결합되도록 적응되는,
    저항 용접 장치(1).
  18. 제 9 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강전류 변류기(12)의 2차 권선(14)을 형성하기 위한 상기 I-빔(25) 및/또는 상기 콘택 플레이트들(29) 및/또는 상기 커버 플레이트들(31) 및/또는 상기 금속 시트들(44, 45)은 바람직하게는, 은 코팅을 갖는 구리 또는 구리 합금으로 형성되는,
    저항 용접 장치(1).
  19. 제 9 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 I-빔(25) 및/또는 상기 콘택 플레이트(29)는 상기 건 암들(5)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는,
    저항 용접 장치(1).
  20. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 I-빔(25)의 외면들(28) 상에 그리고 상기 콘택 플레이트들(29)의 외면들 상에, 연결 장치들(30), 바람직하게는, 나사들을 수용하기 위한 나사선들을 갖는 천공홀들이 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2차 권선(14)의 연결부에, 전류 변환기(18)가 이러한 2차 권선(14)을 통하는 전류를 측정하기 위해 각각 배열되고, 상기 전류 변환기들(18)은 상기 구동 회로(17)에 연결되는,
    저항 용접 장치(1).
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전류 변환기들(18)은 상기 용접 전류의 방향에 대해 실질적으로 90°로 배향되도록 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    각각의 전류 변환기(18)는 하우징(34)에 의해, 바람직하게는, 자기 도전성 물질의 차폐부(43)에 의해 차폐되는,
    저항 용접 장치(1).
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 회로(17)는 상기 2차 권선(14)의 전류의 제로 크로싱에 도달하기 이전의 미리 설정된 시점에, 상기 동기 정류기(16)의 회로 엘리먼트들(24)을 구동하도록 설계되는,
    저항 용접 장치(1).
  25. 제 12 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 유체를 공급하기 위한 채널들(39)이 상기 I-빔(25) 및 상기 콘택 플레이트들(29)에 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 냉각 유체를 공급하기 위한 2개의 유입부들(32) 및 상기 냉각 유체를 방출하기 위한 하나의 배출부(33)가 상기 I-빔(25)의 외면(28)에 배열되고, 상기 냉각 채널들(39)은 각각의 유입부(32)로부터 상기 콘택 플레이트들(39)로 그리고 상기 I-빔(25)을 통해 상기 배출부(33)로 연장하도록 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  27. 제 12 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 회로(17) 및 상기 동기 정류기(16)는 적어도 하나의 콘택 플레이트(19)의 내면 상에 배열되는 적어도 하나의 회로 기판(35) 상에 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 동기 정류기(16) 및 상기 구동 회로(17)의 각각의 회로 기판(35)은 상기 회로 엘리먼트들(24)이 배열되는 개구(37)를 포함하고, 상기 동기 정류기(16)의 회로 기판(35)의 개구들의 장소에서, 상기 콘택 플레이트들(29)의 내면은 돌출부들(36), 특히 봉우리-형상 돌출부들(pinnacle-shaped protrusions)을 포함하여, 상기 회로 엘리먼트(24)은 상기 콘택 플레이트들(29)의 내면 상의 회로 기판(35) 상의 개구들(37) 내로 돌출하는 돌출부들(36)을 통해 라인들 없이 접촉될 수 있는,
    저항 용접 장치(1).
  29. 제 28 항에 있어서,
    전계-효과 트랜지스터들에 의해 형성되는 상기 회로 엘리먼트들(24)의 소스 연결들은 돌출부들(36), 특히 봉우리-형상 돌출부들을 통해, 상기 콘택 플레이트(29)에 전기적으로 및 열적으로 직접 연결되는,
    저항 용접 장치(1).
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    각각의 회로 기판(35)은 전기 절연을 형성하기 위해 상기 I-빔(25) 및 상기 콘택 플레이트들(29) 사이에 배열되는,
    저항 용접 장치(1).
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