WO2012160752A1 - 変圧器およびアーク放電加工装置 - Google Patents

変圧器およびアーク放電加工装置 Download PDF

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WO2012160752A1
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core
transformer
tertiary winding
wound around
winding
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PCT/JP2012/002667
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信介 島林
田中　義朗
元泰 永野
亘 梅田
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パナソニック株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/08—High-leakage transformers or inductances
    • H01F38/10—Ballasts, e.g. for discharge lamps

Definitions

  • the present invention mainly relates to a transformer including a circular core and an arc electric discharge machining apparatus including the transformer.
  • FIG. 8 shows a schematic configuration of a core constituting a conventional transformer used in a welding machine.
  • the circular core constituting the transformer has a structure in which several gap materials are inserted into the gap portion of the circular core, and the characteristics of the transformer are changed depending on the combination and thickness of the gap material. Is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the present invention provides a transformer that can be changed in characteristics and easy to produce without using a complicated structure or method, and an arc discharge machining apparatus using the transformer.
  • a transformer according to the present invention includes a first core, a primary winding wound around the first core, a secondary winding wound around the first core, and the above A tertiary winding wound around the first core; and a second core, and the winding on the side of the tertiary winding not wound around the first core is wound around the second core.
  • the above-described tertiary winding is configured as a closed loop.
  • the arc electric discharge machining apparatus of the present invention transforms the output of the first rectification unit that rectifies AC power input from the outside, the inverter unit that converts the output of the first rectification unit into AC, and the output of the inverter unit.
  • the transformer includes the above-described transformer and a second rectifying unit that rectifies the output of the transformer into a direct current.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a transformer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic circuit of the transformer in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows the second core relative to the turn ratio of the number of turns of the tertiary winding wound around the second core with respect to the number of turns of the tertiary winding wound around the first core of the transformer according to Embodiment 3 of the present invention. It is a figure which shows the emitted-heat amount of.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a schematic configuration of an arc electric discharge machining apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a transformer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic circuit of the transformer in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows the second core relative to the turn ratio of the number of
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing temporal changes in the drive signal due to load fluctuations in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a waveform diagram showing temporal changes in the current flowing through the primary winding when the tertiary winding is not provided in the sixth embodiment of the present invention and no gap material is inserted into the core.
  • FIG. 7 is a waveform diagram showing temporal changes in the current flowing through the primary winding and the tertiary winding when the tertiary winding in Embodiment 6 of the present invention is added.
  • FIG. 8 is a plan view showing a schematic configuration of a core constituting a conventional transformer used in a welding machine.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the transformer in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic circuit of the transformer in the first embodiment.
  • the transformer 1 includes a first core 2, a primary winding 3, first connection portions 4 a and 4 b, a secondary winding 5, and second connection portions 6 a and 6 b. , 6c, 6d, a tertiary winding 7, and a third connecting portion 8.
  • the primary winding 3 is a winding wound around the first core 2.
  • the first connection parts 4a and 4b are connection parts for connecting the end of the primary winding 3 to another circuit.
  • the secondary winding 5 is a winding wound around the first core 2.
  • the second connection portions 6a, 6b, 6c, and 6d are connection portions for connecting the end portion of the secondary winding 5 to another circuit.
  • the tertiary winding 7 is a winding wound around the first core 2.
  • the third connection portion 8 is a connection portion for connecting the end portions of the tertiary winding 7 to each other. Then, the winding 7a of the tertiary winding 7 that is not wound around the first core 2 is wound around the second core 9, and one end and the other end of the tertiary winding 7 are connected to the third connection. By connecting at the part 8, the tertiary winding 7 is closed loop.
  • the transformer 1 configured as described above will be described.
  • the primary winding 3 As the primary winding 3, the secondary winding 5, and the tertiary winding 7 shown in FIG. 1, copper, aluminum, or litz wire or vinyl that is a bundle of rectangular, round, or strip-like copper wires. Various materials such as electric wires can be used. These windings may be provided with an insulating coating, or an insulating sheet may be inserted between the primary winding 3 and the secondary winding 5.
  • a primary winding 3 and a secondary winding 5 are wound around the first core 2. In particular, with respect to the primary winding 3 and the secondary winding 5, a constant tension is applied when winding the first core 2, so that the first core 2, the primary winding 3, and the secondary winding 5 are applied. The bond is strong.
  • the third winding 7 is closed loop by connecting one end and the other end of the tertiary winding 7 with the third connecting portion 8.
  • the secondary winding 5 is thicker than the primary winding 3, for example, and the tertiary winding 7 is thinner than the primary winding 3, for example. I use it.
  • the primary winding 3 and the secondary winding 5 are wound substantially adjacent to the respective portions of the first core 2.
  • a connection method in the 3rd connection part 8 for making the tertiary winding 7 into a closed loop there exist soldering, the connection by crimping, the fastening by a screw, etc.
  • the core in order to change the characteristics of the transformer, the core is divided into at least two, and the surfaces facing each other when both cores are abutted have nonmagnetic electrically insulating properties. A gap is inserted.
  • a method is adopted in which the magnetic resistance of the core is increased to make it difficult for the magnetic flux to flow.
  • it is possible to further change the characteristics of the transformer by changing the material and thickness of the gap.
  • the characteristics of the transformer can be changed by inserting the gap in the core.
  • the transformer primary winding is the power input side and the secondary winding is the output side
  • the magnetic resistance is increased by inserting a gap, thereby suppressing a rapid change in magnetic flux.
  • the magnetic flux does not change abruptly, and the magnetic saturation phenomenon, which is a phenomenon that the function of the transformer core is lost, can be suppressed.
  • the magnetic saturation phenomenon which is a phenomenon that the function of the transformer core is lost, can be suppressed.
  • the current on the input side suddenly increases, and the electrical equipment connected to the input side may be destroyed. Therefore, it is very important not to generate a magnetic saturation phenomenon in the transformer.
  • the tertiary winding 7 is wound around the first core 2, and the tertiary winding 7 on the side not wound around the first core is the second core 9. It is wound around. And in the 3rd connection part 8, the tertiary winding 7 is made into the closed loop by connecting one end and the other end of the tertiary winding 7. With such a configuration, the tertiary winding 7 wound around the second core 9 becomes a load of the magnetic flux of the first core 2 and makes it difficult for the magnetic flux to flow. As a result, as in the case of the transformer in the case where the gap 106 is inserted into the core 105 described in the background art section, it is possible to obtain effects such as changing the characteristics of the transformer and suppressing the magnetic saturation phenomenon.
  • the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2, the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9, and the number of turns wound around the first core 2 By changing the turn ratio of the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9 with respect to the number of turns of the tertiary winding 7 and the material of the second core 9, the load characteristic of the magnetic flux of the transformer 1 is changed. be able to. Therefore, in this Embodiment 1, the effect similar to the characteristic change in a transformer and suppression of a magnetic saturation phenomenon when changing the material and thickness of a gap can be acquired, without providing a gap.
  • the transformer 1 of the first embodiment has a first core 2 and a second core 9, and has a configuration in which a tertiary winding 7 is wound around these two cores to form a closed loop.
  • the effects of changing the characteristics of the vessel 1 and suppressing the magnetic saturation phenomenon can be obtained. Therefore, with this configuration, it is possible to realize a transformer 1 that can be changed in characteristics and easily manufactured without using a complicated structure or method.
  • the first embodiment can cope with both the case where the first core 2 is not provided with a gap and the case where the gap is provided.
  • the first core 2 of the transformer 1 may be provided with a bobbin for facilitating winding of the primary winding 3, the secondary winding 5 and the tertiary winding 7.
  • a bobbin for facilitating winding of the primary winding 3, the secondary winding 5 and the tertiary winding 7.
  • the first core 2 The number of turns of the tertiary winding 7 wound around 2 needs to be smaller than the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9. The reason is that when the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9 is smaller than the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2, This is because it is difficult to be a magnetic flux load and it is difficult to change the characteristics of the transformer 1.
  • the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2 is set to be smaller than the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9. Yes.
  • the magnetic flux can be loaded by the tertiary winding 7 to change the characteristics of the transformer 1 and suppress the magnetic saturation phenomenon. Therefore, even when the gap is not inserted into the first core 2, the same effect as when the gap is inserted can be obtained, and the characteristics of the transformer 1 can be changed and the magnetic saturation phenomenon can be suppressed.
  • FIG. 3 shows the turn ratio of the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9 to the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2 of the transformer 1 according to Embodiment 3 of the present invention. It is a figure which shows the emitted-heat amount of the 2nd core 9 with respect to.
  • the horizontal axis of FIG. 3 shows the turns ratio of the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9 to the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2 of the transformer 1.
  • the effect of suppressing the characteristic change of the transformer 1 and the magnetic saturation phenomenon is the ratio of the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9 to the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2.
  • the Curie temperature which is the temperature at which the second core 9 functions as a core, is exceeded and does not function as a core. Cannot be obtained.
  • the turn ratio is larger than 20, the current flowing through the tertiary winding 7 is lowered, and the magnetic flux flowing through the second core 9 is also lowered.
  • the heat generation of the second core 9 can be suppressed, the effect of changing the characteristics of the transformer 1 and suppressing the magnetic saturation phenomenon are reduced, and the magnetic saturation phenomenon is likely to occur.
  • the tertiary winding 7 is wound around the first core 2 of the transformer 1, and the winding that is not wound around the first core 2 of the tertiary winding 7 is wound around the second core 9.
  • the transformer 1 that is turned to make the tertiary winding 7 a closed loop there is an optimum range of the turns ratio. That is, the ratio of the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the second core 9 to the number of turns of the tertiary winding 7 wound around the first core 2 may be 15 or more and 20 or less.
  • the gap is inserted for changing the characteristics of the transformer 1 and suppressing the magnetic saturation phenomenon by applying a load to the magnetic flux of the first core 2.
  • the same effect as that obtained can be obtained.
  • a magnetic flux load from the tertiary winding 7 is further applied to the first core 2.
  • the effect can be obtained as an object.
  • the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
  • the first core 2 of the transformer 1 is a circular toroidal core as shown in FIG.
  • the method of cutting a part of the toroidal core and inserting and fixing the gap at the cut portion not only the strength is inferior depending on the fixing method, but also the effect of the gap changes depending on the cutting accuracy. Therefore, it was difficult to produce a transformer having the same characteristics, and the production method was complicated. Furthermore, when changing the characteristics of the completed transformer, it has been difficult to change such as rewinding the primary and secondary windings already wound and changing the material and thickness of the fixed gap.
  • the core used for the transformer 1 is circular like a toroidal core, a part of the toroidal core is not cut. Further, even after the primary winding 3 and the secondary winding 5 are wound around the first core 2, a tertiary winding 7 is added in order to change the characteristics of the transformer 1 and suppress the magnetic saturation phenomenon. It can also be removed.
  • the fifth embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
  • the material of the first core 2 of the transformer 1 shown in FIG. 1 is an amorphous metal
  • the magnetic permeability is superior to that of ferrite, so that the conversion efficiency for converting the current into the strength of the magnetic field is excellent.
  • the heat generation of the first core 2 can be suppressed, and the Curie temperature (the temperature at which the core does not function) is high. Characteristics can be maintained. Thereby, it is suppressed that other parts etc. of the electric equipment carrying the transformer 1 are damaged, and the reliability becomes high.
  • the material of the second core 9 of the transformer 1 shown in FIG. 1 is a dust core, it is very effective in suppressing the magnetic saturation phenomenon.
  • the ferrite core is used, the effect of suppressing the magnetic saturation phenomenon is reduced as compared with the dust core.
  • the transformer 1 according to the fifth embodiment has a configuration in which the first core 2 is an amorphous core made of an amorphous metal and the second core 9 is a dust core.
  • the first core 2 is an amorphous core made of an amorphous metal
  • the second core 9 is a dust core.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a schematic configuration of an arc electric discharge machining apparatus 10 such as an arc welder or an arc cutter in Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing temporal changes in the drive signal due to fluctuations in an arc load 24 described later in Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 6 shows the temporal flow of the current flowing through the primary winding 3 of the transformer 1 when the tertiary winding 7 is not provided and no gap material is inserted into the first core 2 in Embodiment 6 of the present invention. It is a wave form diagram which shows a change.
  • FIG. 7 differs from FIG. 6 in that the current flowing in the primary winding 3 and the tertiary winding 7 when the tertiary winding 7 is provided as shown in FIG. It is a waveform which shows the time change of an electric current.
  • the arc electric discharge machining apparatus 10 includes a first rectification unit 11 that rectifies a three-phase or single-phase AC input power supply. Moreover, the 1st switching part 12 and the 2nd switching part 13 are connected in series, and comprise a 1st switching circuit. In addition, the third switching unit 14 and the fourth switching unit 15 are connected in series to constitute a second switching circuit. The first switching circuit and the second switching circuit are connected between the outputs of the first rectifying unit 11, and the primary current flows in the first direction via the first switching unit 12 and the fourth switching unit 15. Flows.
  • the primary current flows in the second direction opposite to the first direction via the second switching unit 13 and the third switching unit 14.
  • the first connection parts 4a and 4b of the transformer 1 are connected to the first switching circuit and the second switching circuit, respectively, so that such a primary current flows.
  • the first switching circuit and the second switching circuit constitute an inverter unit that converts the output rectified by the first rectifying unit 11 into alternating current.
  • the second connecting portions 6a and 6d of the secondary winding 5 of the transformer 1 shown in FIGS. 1 and 2 are connected to the second rectifying portion 16 shown in FIG. 4, and the second connecting portions 16a and 6d shown in FIGS. Are connected to the output terminal 17 shown in FIG. 4, and the current rectified by the second rectification unit 16 is output to the outside of the arc discharge machining apparatus 10 via the output terminal 17.
  • the arc discharge machining apparatus 10 includes the first rectification unit 11 that rectifies AC power input from the outside, the inverter unit that converts the output of the first rectification unit 11 to AC, It comprises a transformer 1 that transforms the output of the inverter unit, and a second rectifying unit 16 that rectifies the output of the transformer 1 into a direct current.
  • the arc electric discharge machining apparatus 10 includes an output detection unit 18, an output setting unit 19, and a control unit 20.
  • the output detection unit 18 detects the voltage across the output terminal 17 and the output current output from the output terminal 17.
  • the output setting unit 19 arbitrarily sets the output voltage and the output current.
  • the control unit 20 compares the output of the output detection unit 18 with the output of the output setting unit 19, and the first switching unit 12, the second switching unit 13, the third switching unit 14, and the fourth switching unit 15. A drive signal is output respectively.
  • one of the output terminals 17 is connected to the welding torch 21, and the other of the output terminals 17 is connected to the welding object 23.
  • the welding torch 21 supplies the electric power output from the output terminal 17 to the welding wire 22.
  • the welding wire 22 is fed to the welding object 23 by a feeding motor (not shown) and welding is performed.
  • the first connection portion 4 a which is the end portion of the primary winding 3 is connected to the first switching portion 12 and the second switching portion 13, and the first connection portion 4 b. Are connected to the third switching unit 14 and the fourth switching unit 15.
  • the second connection portions 6 a and 6 d which are the end portions of the secondary winding 5 are connected to the second rectification unit 16, and the second connection portions 6 b and 6 c are connected to the output terminal 17.
  • the tertiary winding 7 is wound around the first core 2 and the second core 9, and then the ends of the tertiary winding 7 are connected by the third connection portion 8 to form a closed loop.
  • the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 include, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or the like. Further, the second rectifying unit 16 is configured by a diode or the like, for example.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • the second rectifying unit 16 is configured by a diode or the like, for example.
  • the output setting unit 19 including a volume or a jog dial or a switch (not shown) shown in FIG. 4 is for setting an output voltage and an output current.
  • the output voltage and output current are detected by the output detection unit 18, and the output setting value set by the output setting unit 19 and the output detection unit 18 are detected by the control unit 20 configured by an electronic circuit such as a CPU or an operational amplifier.
  • the control unit 20 outputs a drive signal from the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 so that the detected values match.
  • the drive signal output by the control unit 20 is, for example, a signal for causing a PWM (Pulse Width Modulation) operation or a phase shift operation.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the primary current flows through the transformer 1, and the electric power converted by the first core 2 is converted into the second rectification. Is output to the unit 16.
  • the electric power output to the second rectification unit 16 is rectified by the second rectification unit 16 and supplied to the welding wire 22 and the welding object 23 via the output terminal 17, and the welding wire 22 and the welding object 23 are connected to each other. An arc is generated between them and welding is performed.
  • the welding torch 21 is for feeding the welding wire 22 fed by a feeding motor (not shown) to the intended place with respect to the welding object 23, and the output electric power is sent to the welding wire 22. To supply.
  • the welding wire 22 which is a welding electrode is used as a consumable electrode.
  • the welding electrode is referred to as a non-consumable electrode.
  • a consumable electrode type arc discharge machining apparatus 10 more specifically, a consumable electrode type welding machine will be described as an example.
  • the arc load 24 varies greatly between the short circuit and the arc.
  • the load amount shown in FIG. 5 represents the magnitude of the arc load 24 shown in FIG. 4.
  • the vertical axis indicates the load amount, and the larger the load amount, the higher the direction of the arrow.
  • the drive signal A indicates a drive signal to the first switching unit 12 and the fourth switching unit 15.
  • a drive signal B indicates a drive signal to the second switching unit 13 and the third switching unit 14.
  • ON is indicated by a high level and OFF is indicated by a low level.
  • the operations of the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 are operated as PWM operations.
  • the control unit 20 shown in FIG. 4 uses the first switching unit based on the output detected by the output detection unit 18 so that the predetermined output voltage or output current set by the output setting unit 19 shown in FIG. A case where the drive width from 12 to the fourth switching unit 15 is controlled will be described.
  • the width of the drive signal from the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 is narrowed.
  • the width of the drive signal from the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 is widened. Note that, in a state where the fluctuation range of the arc load 24 is large (section E3), the driving signal may also fluctuate from a wide state to a narrow state and further to a wider state.
  • the AC power input to the transformer 1 varies depending on the application, and is in a wide frequency band, such as from commercial or household power of 50 Hz or 60 Hz to over several MHz of communication equipment.
  • the core may abnormally generate heat due to heat generated by iron loss such as eddy current loss or magnetic hysteresis loss.
  • iron loss such as eddy current loss or magnetic hysteresis loss.
  • the time for one cycle in the low frequency becomes longer, and therefore the time for the input current to flow in one direction becomes longer, resulting in a magnetic saturation phenomenon. Will occur.
  • the primary current becomes abnormally high, and the circuit from the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 may be destroyed.
  • the transformer 1 can realize stable operation by selecting a core material having characteristics suitable for each frequency and suppressing the flow of magnetic flux by inserting a gap into the core.
  • the frequency (hereinafter referred to as “carrier frequency”) of the AC power of the arc electric discharge machining apparatus 10 of the sixth embodiment is generally several kHz to several hundred kHz.
  • the primary current indicates a current flowing through the primary winding 3 of the transformer 1 in the circuit of the arc electric discharge machine 10 shown in FIG. 4.
  • an amorphous metal operates stably at a carrier frequency of 50 kHz.
  • the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 can use the carrier frequency only up to a certain level range depending on the switching speed, on-resistance, and the like.
  • Switching loss can be reduced by using the soft switching control method as the driving method by the control unit 20, but it is difficult to significantly improve the carrier frequency. In particular, it is more difficult to increase the carrier frequency as the switching unit becomes cheaper.
  • an expensive switching unit such as a MOSFET.
  • IGBTs that are relatively inexpensive and easily available, switching loss can be reduced by using an inverter drive system, and high frequency can be supported. However, in general, the IGBT can be most efficiently used at a carrier frequency of 20 KHz to 30 kHz.
  • the most suitable frequency band of the first core 2 of the transformer 1 is driven at a carrier frequency lower than the optimum carrier frequency in order to use an inexpensive switching unit. That is, for example, when driven at 20 kHz, which is a carrier frequency lower than 50 kHz, the magnetic saturation phenomenon is unlikely to occur if the ON width of the drive signal is stable at a constant width.
  • the tertiary winding 7 as in the sixth embodiment is not provided in a state where the variation in the load amount is large, and a gap is inserted into the first core 2. If not, a magnetic saturation phenomenon may occur as shown in the primary current of the section E3.
  • a non-magnetic electrically insulating gap is inserted into the surfaces facing each other when both divided cores are brought into contact with each other.
  • the magnetic resistance is increased and the magnetic flux does not easily flow. Thereby, a magnetic saturation phenomenon can be suppressed.
  • the tertiary winding 7 is wound around the first core 2 of the transformer 1, and the winding on the side of the tertiary winding 7 that is not wound around the first core 2. Is wound around the second core 9 and the ends of the tertiary winding 7 are connected to each other to make the tertiary winding 7 a closed loop. In this case, the closed loop tertiary winding 7 wound around the second core 9 serves as a magnetic flux load.
  • the tertiary winding current indicates a current flowing through the tertiary winding 7 of the transformer 1 in the circuit of the arc discharge machining apparatus 10 shown in FIG. 4.
  • the tertiary winding current in FIG. 7 has a waveform showing temporal changes when the tertiary winding 7 of the sixth embodiment is added.
  • the first switching unit 12 to the fourth switching unit 15 may include an inverse diode in parallel with the IGBT, for example.
  • a gap may also be provided in the second core. Then, a gap may be provided in either the first core or the second core, or a gap may be provided in both the first core and the second core.
  • the number of turns wound around the first core and the second core of the tertiary winding can be changed without changing the material and thickness of the gap of the first core.
  • the characteristics of the vessel can be changed.
  • the transformer of the present invention can change the characteristics of the transformer by adding a tertiary winding even when no gap is inserted in the core. It is useful above.

Abstract

第一のコアに巻回した一次巻線と、第一のコアに巻回した二次巻線と、第一のコアに巻回した三次巻線を備え、三次巻線の第一のコアに巻回していない側の巻線は、第二のコアに巻回して三次巻線を閉ループとして変圧器を構成する。この変圧器によれば、コアに設けるギャップの材質や厚みを変更することなく、変圧器の特性の変更が可能である。

Description

変圧器およびアーク放電加工装置
　本発明は、主に、円形のコアを備えた変圧器およびその変圧器を備えたアーク放電加工装置に関する。
　従来のインバータ回路において、変圧器は、コアに、珪素鋼板、電磁鋼板およびフェライトを使用するものが多い。珪素鋼板、電磁鋼板およびフェライトは、加工が容易であり、自在に形状を変更できるという利点がある。そのため、変圧器のコアをつき合わせた時に両者が接触する部分を切削加工し、その互いに向き合う面同士が接触しない構造とすることで、変圧器にギャップを自在に生成することが可能である。
　図８は、溶接機に用いられる従来の変圧器を構成するコアの概略構成を示す。図８に示すように、変圧器を構成する円形コアは、円形コアの間隙部分に数枚のギャップ材料を挿入する構成となっており、そのギャップ材料の組み合わせや厚みにより変圧器の特性を変更するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　しかしながら、図８に示す従来の変圧器を構成する円形のトロイダルコアでは、コア１０５にギャップ１０６を挿入するため、コア１０５の一部を切断し、両方の切断面で挟み込むように絶縁部材１０１、磁性部材１０２およびスペーサ１０３を挿入して固定しなければならない。なお、コア１０５の一部を切断し、切断した部分にギャップ１０６などを挿入して固定する手法をとった場合、固定方法によっては、強度が劣る。この強度の低下だけでなく、切断精度によってはギャップ厚みに影響を与え、特性の変更による効果が異なってくるため、同じ特性を有する変圧器を生産することが困難であるといった課題がある。
　また、コア１０５に対して巻線を巻回した後の変圧器において、変圧器の特性の変更や調整を行う場合、ギャップ１０６などを挿入するために、既に巻回していた巻線を巻戻しなければならない。したがって、巻戻しを行った後に、固定されているギャップの厚み等を変更し、再度巻線を巻く必要があるといったように、変圧器の特性の変更を容易に行うことができないという課題があった。
特開２００２－０７５７４７号公報
　本発明は、複雑な構造や方法を用いることなく、特性の変更が可能で生産が容易な変圧器およびこれを用いたアーク放電加工装置を提供する。
　上記課題を解決するため、本発明の変圧器は、第１のコアと、上記第１のコアに巻回した一次巻線と、上記第１のコアに巻回した二次巻線と、上記第１のコアに巻回した三次巻線と、第２のコアと、を備え、上記三次巻線の上記第１のコアに巻回していない側の巻線は、上記第２のコアに巻回して、上記三次巻線を閉ループとした構成からなる。
　この構成により、複雑な構造や方法を用いることなく、特性の変更が可能で生産が容易な変圧器が実現できる。
　また、本発明のアーク放電加工装置は、外部から入力した交流電力を整流する第１の整流部と、第１の整流部の出力を交流に変換するインバータ部と、インバータ部の出力を変圧する上記記載の変圧器と、変圧器の出力を直流に整流する第２の整流部と、を備えた構成からなる。
　この構成により、複雑な構造や方法を用いることなく、特性の変更が可能で生産が容易なアーク放電加工装置が実現できる。
図１は、本発明の実施の形態１における変圧器の概略構成を示す平面図である。 図２は、本発明の実施の形態１における変圧器の概略回路を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態３における変圧器の第一のコアに巻回する三次巻線の巻数に対する第二のコアに巻回する三次巻線の巻数の巻数比に対する第二のコアの発熱量を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態６におけるアーク放電加工装置の概略構成を示す回路図である。 図５は、本発明の実施の形態６における負荷の変動による駆動信号の時間的な変化を示す波形図である。 図６は、本発明の実施の形態６における三次巻線を設けず、かつ、コアにギャップ材料を挿入しなかった場合の、一次巻線に流れる電流の時間的な変化を示す波形図である。 図７は、本発明の実施の形態６における三次巻線を追加した場合に一次巻線および三次巻線に流れる電流の時間的な変化を示す波形図である。 図８は、溶接機に用いられる従来の変圧器を構成するコアの概略構成を示す平面図である。
　以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
　（実施の形態１）
　本発明の実施の形態１について、図１と図２を用いて説明する。図１は、実施の形態１における変圧器の概略構成を示す平面図である。図２は、実施の形態１における変圧器の概略回路を示す模式図である。
　図１と図２において、変圧器１は、第一のコア２と、一次巻線３と、第一の接続部４ａ、４ｂと、二次巻線５と、第二の接続部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、三次巻線７と、第三の接続部８とを備えている。ここで、一次巻線３は、第一のコア２に巻回した巻線である。第一の接続部４ａ、４ｂは、一次巻線３の端部を他の回路に接続するための接続部である。二次巻線５は、第一のコア２に巻回した巻線である。第二の接続部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、二次巻線５の端部を他の回路に接続するための接続部である。三次巻線７は、第一のコア２に巻回した巻線である。第三の接続部８は、三次巻線７の端部同士を接続するための接続部である。そして、三次巻線７の第一のコア２に巻回していない側の巻線７ａを第二のコア９に巻回して、三次巻線７の一方の端と他方の端を第三の接続部８で接続することで、三次巻線７を閉ループとしている。
　以上のように構成された変圧器１について説明する。
　図１に示す一次巻線３、二次巻線５および三次巻線７としては、角状、丸状、帯状になった銅やアルミ、あるいは、細い線形の銅線を束ねたリッツ線やビニル電線など、様々な材料を使用することができる。これらの巻線には、それぞれに絶縁被覆が施されている場合や、一次巻線３と二次巻線５との間に絶縁シートが挿入される場合等がある。そして、第一のコア２に、一次巻線３と二次巻線５が巻回されている。特に、一次巻線３と二次巻線５については、第一のコア２に巻回する際に一定のテンションをかけることで、第一のコア２と一次巻線３および二次巻線５の結合を強くしている。
　一次巻線３と二次巻線５を第一のコア２に巻回した後に、三次巻線７の一方を第一のコア２に巻回し、他方を第二のコア９に巻回する。そして、三次巻線７の一方の端と他方の端とを第三の接続部８で接続することで、三次巻線７を閉ループとしている。ここでは、図１に示すように二次巻線５の太さは、例えば一次巻線３よりも太く、また、三次巻線７の太さは、例えば一次巻線３よりも細くしたものを使用している。なお、一次巻線３と二次巻線５とは、第一のコア２のそれぞれの部分にほぼ隣接して巻回されている。なお、三次巻線７を閉ループとするための第三の接続部８における接続方法としては、半田付けや、圧着による接続や、ネジによる締結などがある。
　ここで、一般的に、変圧器の特性を変更するためには、コアを少なくとも二つに分割し、両方のコアを突き合わせたときに互いに向き合う面に、非磁性の電気的に絶縁性を有するギャップを挿入することが行われる。これにより、コアの磁気抵抗を増加させ、磁束を流れにくくする方法がとられている。また、ギャップの材質や厚みを変更することで、さらに、変圧器の特性を変更することが可能である。
　このように、コアにギャップを挿入することで、変圧器の特性を変更することができるといった効果がある。これとともに、例えば、変圧器の一次巻線を電力の入力側とし、二次巻線を出力側とした場合、ギャップの挿入により磁気抵抗を増加することで、磁束の急激な変化を抑制することができる。さらに、入力側の電力が急激に変化した場合でも磁束が急激に変化せず、変圧器のコアとしての機能がなくなる現象である磁気飽和現象を抑制することができる。なお、磁気飽和現象が発生した場合、入力側の電流が急激に高くなり、入力側に接続されている電気機器を破壊することがある。そのため、変圧器において、磁気飽和現象を発生させないようにすることが、非常に重要である。
　本実施の形態１では、図１に示すように、三次巻線７が第一のコア２に巻回され、第一のコアに巻回していない側の三次巻線７が第二のコア９に巻回されている。そして、第三の接続部８において、三次巻線７の一方の端と他方の端とを接続することで、三次巻線７を閉ループとしている。このような構成とすることで、第二のコア９に巻回されている三次巻線７が第一のコア２の磁束の負荷となり、磁束を流れ難くする。これにより、背景技術の項で説明したコア１０５にギャップ１０６を挿入した場合の変圧器の場合と同様に、変圧器の特性の変更および磁気飽和現象の抑制といった効果を得ることができる。
　また、本実施の形態１では、第一のコア２に巻回した三次巻線７の巻数、第二のコア９に巻回した三次巻線７の巻数、第一のコア２に巻回した三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回した三次巻線７の巻数の巻数比および第二のコア９の材質を変更することで、変圧器１の磁束の負荷特性を変更することができる。従って、本実施の形態１では、ギャップを設けることなく、ギャップの材質や厚みを変更した場合の変圧器における特性変更および磁気飽和現象の抑制と同様の効果を得ることができる。
　すなわち、本実施の形態１の変圧器１は、第一のコア２と第二のコア９とを有し、これらの２つのコアに三次巻線７を巻回して閉ループとする構成により、変圧器１の特性の変更および磁気飽和現象の抑制といった効果を得ることができる。よって、この構成により、複雑な構造や方法を用いることなく、特性の変更が可能で生産が容易な変圧器１が実現できる。
　このような三次巻線７を追加した変圧器１において、第一のコア２にギャップが挿入されていない場合でも、三次巻線７により磁束に負荷を与えることができる。これにより、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に対して、背景技術で説明したコアにギャップを挿入した場合と同様の効果を得ることができる。
　なお、第一のコア２にギャップが挿入されている場合には、第一のコア２に挿入されたギャップの効果に加えて、さらに三次巻線７による磁束の負荷としての効果を得ることができる。
　このように、本実施の形態１は、第一のコア２にギャップが設けられていない場合およびギャップが設けられている場合の両方の場合に対応可能である。
　なお、図１には図示していないが、変圧器１の第一のコア２に、一次巻線３、二次巻線５および三次巻線７を巻回し易くするためのボビンを備えることがあり、このような構成としてもよい。変圧器１のコアに巻回する順序や方法については、コアの形状や巻線に使用する材質によって異なることは言うまでもない。
　（実施の形態２）
　本実施の形態２について、図１と図２を用いて説明する。実施の形態１において、第一のコア２に巻回した三次巻線７の巻数、第二のコア９に巻回した三次巻線７の巻数、第一のコア２に巻回した三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回した三次巻線７の巻数の巻数比および第二のコア９の材質を変更することで、変圧器１の磁束の負荷特性を変更することができることを述べた。
　しかし、第一のコア２と第二のコア９とに巻回して閉ループとした三次巻線７により、第二のコア９から第一のコア２へ磁束の負荷を与える場合、第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数は、第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数よりも少なくする必要がある。その理由は、第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数が、第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数よりも少ない場合には、第一のコア２に対して磁束の負荷となり難く、変圧器１の特性を変更することができ難いためである。
　以上のように、本実施の形態２では、第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数を、第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数よりも少なくする構成としている。この構成により、三次巻線７により磁束に負荷を与えて、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制を行うことができる。したがって、第一のコア２にギャップが挿入されていない場合でも、ギャップを挿入した場合と同様の効果を得ることができ、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制ができる。
　また、第一のコア２にギャップが挿入されている場合には、第一のコア２に挿入されたギャップの効果に加えて、さらに三次巻線７による磁束の負荷を与えて、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に関する効果を得ることができる。
　（実施の形態３）
　本実施の形態３について、図１から図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３における変圧器１の第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数の巻数比に対する、第二のコア９の発熱量を示す図である。図３の横軸は、変圧器１の第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数の巻数比を示している。図３の縦軸は、変圧器１の第一の接続部４ａ、４ｂから所定の交流電力を入力し、変換された交流電力を第二の接続部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄから出力した場合の、第二のコア９の表面の発熱量を示している。
　図３において、巻数比が１５より小さい場合、第二のコア９の発熱量が高くなる傾向にある。第二のコア９の発熱量が高くなる理由は、第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数の巻数比が小さくなることで、三次巻線７に流れる電流が高くなる。この電流の増加とともに、第二のコア９に流れる磁束も高くなるため、発熱量が高くなる。
　変圧器１の特性変更および磁気飽和現象を抑制する効果は、第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数の巻数比が小さい程、大きい効果が得られる。しかし、第二のコア９の発熱が高くなり過ぎた場合には、第二のコア９がコアとして機能する温度であるキュリー温度を超えてしまいコアとして機能しないので、三次巻線を追加した効果が得られなくなる。
　また、第二のコア９に巻回している三次巻線７の絶縁被覆の耐熱を超えることもあり得るため、発熱量を抑制する必要がある。
　また、巻数比が２０より大きい場合、三次巻線７に流れる電流が低くなり、第二のコア９に流れる磁束も低くなる。この場合、第二のコア９の発熱を抑えることができるが、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制効果が低下し、磁気飽和現象が発生し易くなる。
　以上のように、変圧器１の第一のコア２に三次巻線７を巻回し、三次巻線７の第一のコア２に巻回していない側の巻線を第二のコア９に巻回して三次巻線７を閉ループとした変圧器１において、最適な巻数比の範囲が存在する。すなわち、第一のコア２に巻回する三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回する三次巻線７の巻数の巻数比を、１５以上、２０以下とする構成としてもよい。この構成により、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に関する効果を得ると共に第二のコア９の発熱を抑制することができる。
　そして、第一のコア２にギャップが挿入されていない場合でも、第一のコア２の磁束に負荷を与えることで、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に対して、ギャップを挿入した場合と同様の効果を得ることができる。
　また、第一のコア２にギャップが挿入されている場合では、第一のコア２に挿入されたギャップの効果に加えて、さらに三次巻線７による磁束の負荷を第一のコア２に加えたものとして効果を得ることができる。
　（実施の形態４）
　本実施の形態４について、図１と図２を用いて説明する。図１に示すように、変圧器１の第一のコア２が円形のトロイダルコアである場合を考える。この場合に、トロイダルコアにギャップを挿入するためには、トロイダルコアの一部を切断し、その切断面の両方で挟み込むようにギャップを挿入し、さらに固定する必要がある。このように、トロイダルコアの一部を切断し、切断部分にギャップを挿入して固定する方法では、固定方法によっては強度が劣るだけでなく、切断精度によってはギャップの効果が変わってしまう。そのため、同じ特性をもつ変圧器を生産することは困難であり、生産方法も複雑であった。さらに完成した変圧器の特性を変更する場合、すでに巻回していた一次巻線および二次巻線を巻戻し、固定されているギャップの材質や厚みを変更するなど、変更が困難であった。
　本実施の形態４によれば、変圧器１に使用するコアがトロイダルコアのような円形のものであっても、トロイダルコアの一部を切断することはない。また、一次巻線３と二次巻線５を第一のコア２に巻回した後でも、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制を行うために、三次巻線７を追加したり取り外したりすることも可能である。そして、完成した変圧器１の特性を変更する場合、巻回した一次巻線３および二次巻線５を巻戻すことなく、第一のコア２に巻回した三次巻線７の巻数、第二のコア９に巻回した三次巻線７の巻数、第一のコア２に巻回した三次巻線７の巻数に対する第二のコア９に巻回した三次巻線７の巻数の巻数比および第二のコア９の材質を変更する。これにより、簡単に変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制を行うことができる。
　（実施の形態５）
　本実施の形態５について、図１と図２を用いて説明する。図１に示す変圧器１の第一のコア２の材質がアモルファスの金属である場合、透磁率がフェライトよりも優れているため、電流を磁界の強さに変換する変換効率が優れている。それだけでなく、鉄損が低いため、第一のコア２の発熱を抑制することができるとともに、キュリー温度（コアとして機能しなくなる温度）が高いため、高温状態における使用環境でも変圧器１としての特性を維持することができる。これにより、変圧器１を搭載した電気機器の他の部品等を破損することが抑制され、信頼性が高いものとなる。
　また、図１に示す変圧器１の第二のコア９の材質について、ダストコアとした場合には、磁気飽和現象の抑制に大きく効果を発揮する。しかし、フェライトコアとした場合には、ダストコアとした場合に比べて磁気飽和現象の抑制効果は減少した。
　以上のことから、本実施の形態５の変圧器１は、第一のコア２を材質がアモルファスの金属からなるアモルファスコアとし、第二のコア９をダストコアとする構成としている。この構成により、第一のコア２にギャップが挿入されていない場合でも、三次巻線７により磁束に負荷を与えることができ、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に対して、ギャップを挿入した場合と同様の効果を得ることができる。
　また、第一のコア２にギャップが挿入されている場合では、第一のコア２に挿入されたギャップの効果に加え、さらに三次巻線７による磁束の負荷を第一のコア２に加えたものとしての効果を得ることができる。
　（実施の形態６）
　本実施の形態６について、図１、図２および図４から図７を用いて説明する。
　図４は、本発明の実施の形態６における、アーク溶接機やアーク切断器等のアーク放電加工装置１０の概略構成を示す回路図である。図５は、本発明の実施の形態６における、後述するアーク負荷２４の変動による駆動信号の時間的な変化を示す波形図である。図６は、本発明の実施の形態６における、三次巻線７を設けず第一のコア２にギャップ材料を挿入しなかった場合の、変圧器１の一次巻線３に流れる電流の時間的な変化を示す波形図である。図７は、図６の場合とは異なり、本発明の実施の形態６における、図１に示すように三次巻線７を設けた場合における一次巻線３に流れる電流と三次巻線７に流れる電流の時間的な変化を示す波形である。
　先ず、図４を用いて、アーク放電加工装置１０の概略構成について説明する。図４に示すように、アーク放電加工装置１０は、三相または単相交流の入力電源を整流する第一の整流部１１を有している。また、第一のスイッチング部１２と第二のスイッチング部１３は直列接続され、第一のスイッチング回路を構成する。また、第三のスイッチング部１４と第四のスイッチング部１５は直列接続され、第二のスイッチング回路を構成する。この第一のスイッチング回路と第二のスイッチング回路は、第一の整流部１１の出力間に接続され、第一のスイッチング部１２と第四のスイッチング部１５を介して第一の方向に一次電流が流れる。また、第二のスイッチング部１３と第三のスイッチング部１４を介して第一の方向とは逆の第二の方向に一次電流が流れる。このような一次電流が流れるように、変圧器１の第一の接続部４ａ、４ｂが、それぞれ第一のスイッチング回路と第二のスイッチング回路に接続されている。なお、第一のスイッチング回路と第二のスイッチング回路により、第一の整流部１１で整流された出力を交流に変換するインバータ部が構成されている。
　図１や図２に示す変圧器１の二次巻線５の第二の接続部６ａ、６ｄは、図４に示す第二の整流部１６に接続され、図１や図２に示す第二の接続部６ｂ、６ｃは、図４に示す出力端子１７に接続され、第二の整流部１６で整流された電流が、出力端子１７を介してアーク放電加工装置１０の外部に出力される。
　このように本実施の形態６のアーク放電加工装置１０は、外部から入力した交流電力を整流する第一の整流部１１と、第一の整流部１１の出力を交流に変換するインバータ部と、インバータ部の出力を変圧する変圧器１と、変圧器１の出力を直流に整流する第二の整流部１６と、を備えた構成からなる。
　この構成により、複雑な構造や方法を用いることなく、特性の変更が可能で生産が容易なアーク放電加工装置１０が実現できる。
　また、アーク放電加工装置１０は、出力検出部１８と、出力設定部１９と、制御部２０と、を備えている。ここで、出力検出部１８は、出力端子１７の両端電圧および出力端子１７から出力される出力電流を検出する。出力設定部１９は、出力電圧および出力電流を任意に設定する。制御部２０は、出力検出部１８の出力と出力設定部１９の出力とを比較し、第一のスイッチング部１２、第二のスイッチング部１３、第三のスイッチング部１４および第四のスイッチング部１５にそれぞれ駆動信号を出力する。
　また、図４に示すように、出力端子１７の一方は溶接トーチ２１に接続され、出力端子１７の他方は溶接対象物２３に接続されている。溶接トーチ２１は、出力端子１７から出力された電力を溶接ワイヤ２２に供給する。溶接ワイヤ２２は、図示しない送給モータによって溶接対象物２３に対して送給され、溶接が行われる。
　以上のように構成されたアーク放電加工装置１０の動作について説明する。図１と図４に示すように、一次巻線３の端部である第一の接続部４ａは、第一のスイッチング部１２と第二のスイッチング部１３に接続され、第一の接続部４ｂは、第三のスイッチング部１４と第四のスイッチング部１５に接続される。また、二次巻線５の端部である第二の接続部６ａ、６ｄは、第二の整流部１６に接続され、第二の接続部６ｂ、６ｃは出力端子１７に接続される。三次巻線７は、第一のコア２および第二のコア９に巻回した後に、三次巻線７の端部同士を第三の接続部８で接続して閉ループとする。なお、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成される。また、第二の整流部１６は、例えば、ダイオード等で構成される。
　図４に示す、図示しないボリュームまたはジョグダイヤルやスイッチなどで構成される出力設定部１９は、出力電圧や出力電流を設定するためのものである。出力検出部１８により出力電圧や出力電流を検出し、ＣＰＵまたはオペアンプなどの電子回路で構成される制御部２０により、出力設定部１９で設定された出力設定値と出力検出部１８で検出された検出値が一致するように、制御部２０は、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５へ駆動信号を出力する。なお、制御部２０が出力する駆動信号は、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作をさせるための信号である。
　第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５へ制御部２０から駆動信号を出力することで、変圧器１に一次電流が流れ、第一のコア２により変換された電力が第二の整流部１６に出力される。第二の整流部１６に出力された電力は第二の整流部１６で整流され、出力端子１７を介して溶接ワイヤ２２と溶接対象物２３に供給され、溶接ワイヤ２２と溶接対象物２３との間にアークを発生させて溶接を行う。
　また、溶接トーチ２１は、図示しない送給モータにより送給された溶接ワイヤ２２を溶接対象物２３に対して意図するところに送給するためのものであり、出力された電力を溶接ワイヤ２２に供給するものである。
　ここで、溶接用電極が送給モータにより送給されて溶接用電極と溶接対象物２３との間にアークを発生させて溶接を行う方式において、溶接用電極である溶接ワイヤ２２を消耗電極と呼ぶ。一方、溶接トーチ２１に固定された溶接用電極と溶接対象物２３との間にアークを発生させて溶接を行う方式において、その溶接用電極を非消耗電極と呼ぶ。本実施の形態６では、一例として消耗電極式のアーク放電加工装置１０、より具体的には、消耗電極式の溶接機について説明する。
　図４に示すアーク負荷２４は、図示しない送給モータによって送給された溶接ワイヤ２２と溶接対象物２３との間にアークを発生して溶接を行う。この溶接の時に、溶接中の溶接ワイヤ２２は一定の速度で送給され、溶接ワイヤ２２と溶接対象物２３との間で、短絡状態やアーク状態を繰り返す。このように、消耗電極式のアーク放電加工装置１０の出力側では、短絡とアークとが繰り返されるため、短絡の場合とアークの場合でアーク負荷２４は大きく変動する。
　図５に示す負荷量とは、図４に示すアーク負荷２４の大きさを表したものであり、縦軸に負荷量を示し、負荷量が大きい程、矢印の方向へ高くなる。
　図５に示すように、駆動信号Ａは、第一のスイッチング部１２と第四のスイッチング部１５への駆動信号を示す。駆動信号Ｂは、第二のスイッチング部１３と第三のスイッチング部１４への駆動信号を示す。第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５に関し、オンはハイレベルで示し、オフはローレベルで示す。ここでは、一例として、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５の動作を、ＰＷＭ動作として動作させている。
　図４に示す出力設定部１９で設定された所定の出力電圧や出力電流となるように、図４に示す制御部２０が、出力検出部１８で検出された出力に基づいて第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５までの駆動幅を制御した場合について説明する。
　図５に示すアーク負荷２４が小さい状態（区間Ｅ１）では、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５への駆動信号の幅は狭められる。一方、アーク負荷２４が大きい状態（区間Ｅ２）では、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５への駆動信号の幅は広げられている。なお、アーク負荷２４の変動幅が大きい状態（区間Ｅ３）では、駆動信号も幅の広い状態から狭い状態、さらに広い状態へと変動が大きくなることがある。
　ここで、変圧器１に入力する交流電力は用途によって異なり、商用や家庭用電力の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚから、通信機器などの数ＭＨｚを超えるなど、広い周波数帯となっている。例えば、低周波用のコアに対して、高周波の交流電力を入力し続けた場合、渦電流損失や磁気ヒステリシス損失といった鉄損などによる発熱により、コアが異常発熱することがある。一方、高周波用のコアに対して、低周波の交流電力を入力した場合、低周波の場合は１周期の時間が長くなるため、入力電流が一方の方向へ流れる時間が長くなり、磁気飽和現象が発生する。その結果、一次電流が異常に高くなり、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５までの回路を破壊する場合がある。
　変圧器１は、それぞれの周波数に適した特性のコアの材質を選択するとともに、コアにギャップを挿入することによって磁束の流れを抑制することで、安定した動作を実現することができる。本実施の形態６のアーク放電加工装置１０の交流電力の周波数（以下、「キャリア周波数」とする）は、数ｋＨｚから数百ｋＨｚが一般的である。
　次に、図６を用いて、第一のコア２にギャップや三次巻線７を設けていない場合の一次電流の波形の時間的な変化について説明する。なお、図６において、図５と同一の項目については、説明を省略する。図６において、一次電流とは、図４に示すアーク放電加工装置１０の回路内における変圧器１の一次巻線３に流れる電流を示す。
　例えば、変圧器１の第一のコア２にアモルファスの金属を使用した場合について説明する。一般的にアモルファスの金属は、キャリア周波数が５０ｋＨｚでは安定した動作をする。第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５は、電気的特性から、キャリア周波数は、スイッチング速度やオン抵抗などによりある一定レベルの範囲までしか使用できない。制御部２０による駆動方式をソフトスイッチング制御方式とすることで、スイッチングロスを低減することができるが、キャリア周波数を大幅に向上させることは困難である。特に、一般的に安価なスイッチング部になるほど、キャリア周波数を高めることは困難である。５０ｋＨｚで駆動するためには、高価なスイッチング部、例えばＭＯＳＦＥＴなどを使用する必要がある。比較的安価で入手が容易なＩＧＢＴでは、インバータの駆動方式によってスイッチングロスの低減を図り、高周波へ対応することもできる。しかし、一般的に、ＩＧＢＴでは、キャリア周波数が２０ＫＨｚから３０ｋＨｚで最も効率的に使用できる。
　変圧器１の第一のコア２の最も適した周波数帯に対し、安価なスイッチング部を使用するために最適キャリア周波数より低いキャリア周波数で駆動させた場合を考える。つまり、例えば５０ｋＨｚより低いキャリア周波数である２０ｋＨｚで駆動させた場合、駆動信号のオンの幅が一定の幅で安定していると、磁気飽和現象は発生し難い。しかし、図６の区間Ｅ３で示すように、負荷量の変動が大きい状態において、本実施の形態６のような三次巻線７を設けておらず、また、第一のコア２にギャップを挿入していない場合は、区間Ｅ３の一次電流に示すように、磁気飽和現象が発生することがある。このような現象において、分割された両方のコアを突き合わせたときに互いに向き合う面に、非磁性の電気的に絶縁性を有するギャップを挿入する。このように、コアに、非磁性であり電気的に絶縁性を有するギャップを挿入することで、磁気抵抗を増加させ、磁束を流れ難くする。これにより、磁気飽和現象を抑制することができる。
　次に、変圧器１の第一のコア２に三次巻線７を設ける本実施の形態６のアーク放電加工装置１０について説明する。
　本実施の形態６のアーク放電加工装置１０では、変圧器１の第一のコア２に三次巻線７を巻回し、三次巻線７の第一のコア２に巻回していない側の巻線を第二のコア９に巻回し、三次巻線７の端部同士を接続して三次巻線７を閉ループとする。この場合には、第二のコア９に巻回した閉ループの三次巻線７が磁束の負荷となる。
　このようにすることで、第一のコア２にギャップが挿入されていない場合でも、三次巻線７により第一のコア２の磁束に負荷を与えることで、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に対して、ギャップを挿入した場合と同様の効果を得ることができる。また、変圧器１の第一のコア２にギャップが挿入されている場合、第一のコア２に挿入されたギャップの効果に加え、さらに三次巻線７による磁束の負荷を第一のコア２に加えたものとしての効果を得られる。
　次に、図７を用いて、第一のコア２に三次巻線７を設けた場合の一次電流と三次巻線電流について説明する。
　図７において、図６と同一の項目は説明を省略する。図７において、三次巻線電流とは、図４に示すアーク放電加工装置１０の回路内における変圧器１の三次巻線７に流れる電流を示す。図７の三次巻線電流は、本実施の形態６の三次巻線７を追加した場合の時間的な変化を示す波形となっている。
　図７の区間Ｅ３で示す負荷量の変動が大きい状態において、三次巻線７に大きな電流が流れることで、第一のコア２に対して磁束の流れを抑制し、磁気飽和現象を抑制している。三次巻線７の電流は、特に、駆動信号の幅の変動が大きい場合に大きく電流が流れている。第一のコア２の磁束の変化が大きいときに、第二のコア９の磁束も流れることで、第一のコア２に対して負荷となっており、磁束の流れを抑制している。このことにより、変圧器１では、第一のコア２にギャップが挿入されていない場合でも、三次巻線７により第一のコア２の磁束に負荷を与えることで、変圧器１の特性変更および磁気飽和現象の抑制に対して、ギャップを挿入した場合と同様の効果を得ることができる。また、第一のコア２にギャップが挿入された場合、第一のコア２に挿入されたギャップの効果に加えて、さらに三次巻線７による磁束の負荷として効果が得られる。
　同様の負荷量の変動状態において、図６の区間Ｅ２では、一次電流が飽和した状態となっているが、図７の区間Ｅ２では、一次電流が飽和しておらず、本実施の形態６により得られる上述の効果は明らかに示されている。
　なお、第一のスイッチング部１２から第四のスイッチング部１５は、例えばＩＧＢＴに対して並列に逆ダイオードを備えている場合があることは言うまでもない。
　なお、第２のコアにもギャップを設けるようにしてもよい。そして、第１のコアと第２のコアのいずれかにギャップを設けるようにしてもよいし、第１のコアと第２のコアの両方にギャップを設けるようにしてもよい。
　本発明の変圧器によれば、第１のコアのギャップの材質や厚みを変更することなく、三次巻線の第一のコアと第二のコアに巻回している巻数を変更することで変圧器の特性の変更が可能である。さらに、本発明の変圧器は、コアにギャップを挿入していない状態でも、三次巻線を追加することで、変圧器の特性の変更が可能であり、例えば、機器組み込み用の変圧器として産業上有用である。
　１　　変圧器
　２　　第一のコア
　３　　一次巻線
　４ａ，４ｂ　　第一の接続部
　５　　二次巻線
　６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ　　第二の接続部
　７　　三次巻線
　７ａ　　巻線
　８　　第三の接続部
　９　　第二のコア
　１０　　アーク放電加工装置
　１１　　第一の整流部
　１２　　第一のスイッチング部
　１３　　第二のスイッチング部
　１４　　第三のスイッチング部
　１５　　第四のスイッチング部
　１６　　第二の整流部
　１７　　出力端子
　１８　　出力検出部
　１９　　出力設定部
　２０　　制御部
　２１　　溶接トーチ
　２２　　溶接ワイヤ
　２３　　溶接対象物
　２４　　アーク負荷

Claims (7)

  1. 第１のコアと、
    前記第１のコアに巻回した一次巻線と、
    前記第１のコアに巻回した二次巻線と、
    前記第１のコアに巻回した三次巻線と、
    第２のコアと、を備え、
    前記三次巻線の前記第１のコアに巻回していない側の巻線は、前記第２のコアに巻回して、前記三次巻線を閉ループとした変圧器。
  2. 前記第１のコアに巻回する前記三次巻線の巻数は、前記第２のコアに巻回する前記三次巻線の巻数よりも少ない請求項１記載の変圧器。
  3. 前記第１のコアに巻回する前記三次巻線の巻数に対する前記第２のコアに巻回する前記三次巻線の巻数の巻数比は、１５以上、２０以下である請求項２に記載の変圧器。
  4. 前記第１のコアはアモルファスコアであり、前記第２のコアはダストコアである請求項１に記載の変圧器。
  5. 前記第１のコアと前記第２のコアは、ギャップを有さないトロイダルコアである請求項１に記載の変圧器。
  6. 前記第１のコアおよび前記第２のコアのうちの少なくともいずれかにギャップを設けた請求項１に記載の変圧器。
  7. 外部から入力した交流電力を整流する第１の整流部と、
    前記第１の整流部の出力を交流に変換するインバータ部と、
    前記インバータ部の出力を変圧する請求項１から６のいずれか１項に記載の変圧器と、
    前記変圧器の出力を直流に整流する第２の整流部と、
    を備えたアーク放電加工装置。
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