WO2021111651A1 - 溶接トランス - Google Patents

Abstract

溶接トランスの構造の簡素化と冷却性能の向上を図る。２次コイル１３の共通接続領域３２には、平坦で電気的かつ熱的な導通面群が形成されている。導通面群は、それぞれ第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６の接続面に直接機械的に接合される。第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６が共通接続領域３２全体を覆っている。環状の第１の導体板４２が最大面積を占める。第１の導体板４２の内部に設けた環状の空洞に冷媒を循環させて、効率よく全体を冷却できる。構造が簡素化されており機械的強度も高い。

Description

溶接トランス

　本発明は抵抗溶接機用の溶接トランスに関する。

　本発明者等は、抵抗溶接機用の溶接トランスに、インバータによる１次電流制御を行って、２次コイルに冷却水を循環させる構造を採用して、高速で高品質な溶接を実現する溶接トランスや溶接装置を開発した（特許文献１）。

ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０６６６４６

　特許文献１で紹介した溶接トランスは、銅板を切削加工した２次コイルとこれらを電気接続する導体の冷媒通路を連結して、冷却水を循環させる。この構造により小型で大電流を出力できる性能を発揮する。溶接トランスの出力端子を並列接続して使用できることなどの特徴が、高い評価を受けている。この性能を維持したまま、構造をさらに簡素化して、製造コストの低減を計ることが求められた。この課題を解決するために、本発明は以下に説明をする溶接トランスを提供する。

　以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。

＜構成１＞
　１次コイル１２と２次コイル１３とが磁心１７に巻回され、
　２次コイル１３は、正側コイル１４と負側コイル１６とを直列接続したもので、
　正側コイル１４の一端と負側コイル１６の一端を第１の共通電極２２に電気接続し、
　正側コイル１４の他端に第１の整流素子１８の一端を電気接続し、負側コイル１６の他端に第２の整流素子２０の一端を電気接続し、
　第１の整流素子１８の他端と第２の整流素子２０の他端を第２の共通電極２４に電気接続し、
　第１の共通電極２２と第２の共通電極２４は溶接機２８に電気接続されるためのもので、
　１次コイル１２は、インバータによりあらかじめ設定された繰り返し周波数で極性を反転させるパルス状の１次電流が供給されるもので、
　１次コイル１２は複数の部分に分割巻きされて磁心１７に巻回されており、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６が、分割巻きされた１次コイル１２の間に挟み込まれており、
　全ての正側コイル１４と全ての負側コイル１６の一端および他端には、平坦で電気的かつ熱的な導通面３０ａ、３０ｂ、３０ｃが形成されており、
　全ての上記導通面３０ａ、３０ｂ、３０ｃが、共通接続領域３２で、電気絶縁のための間隔３４を開けて配列されており、
　全ての正側コイル１４の一端と全ての負側コイル１６の一端に形成された導通面３０ａのグループを第１導通面群と呼び、全ての正側コイル１４の他端に形成された導通面３０ｂのグループを第２導通面群と呼び、全ての負側コイル１６の他端に形成された導通面３０ｃのグループを第３導通面群と呼ぶことにし、
　上記第１導通面群は、第１の導体板４２の接続面に直接機械的に接合され、
　上記第２導通面群は、第２の導体板４４の接続面に直接機械的に接合され、
　上記第３導通面群は、第３の導体板４６の接続面に直接機械的に接合され、
　第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６が上記共通接続領域３２全体を覆っており、第１の導体板４２が最大面積を占め、
　第１の導体板４２には、その内部に冷却媒体を循環させるための空洞４８が設けられ、
　第２の導体板４４は第１の整流素子１８の一端に電気的かつ熱的な第２導通面群を介して接触し、
　第３の導体板４６は第２の整流素子２０の一端に電気的かつ熱的な第３導通面群を介して接触していることを特徴とする溶接トランス。

＜構成２＞
　第１の導体板４２は、共通接続領域３２の周辺部を覆う環状部５０を備え、この環状部５０の内部には冷却媒体を循環させるための空洞４８が設けられていることを特徴とする構成１に記載の溶接トランス。

＜構成３＞
　第２の導体板４４と第３の導体板４６の接続面は、第１の導体板４２の環状部５０に囲まれた領域に配置されていることを特徴とする構成２に記載の溶接トランス。

＜構成４＞
　第１の導体板４２の接続面には、共通接続領域３２で、上記第１導通面群に密着するように凸部５２と凹部５４とを交互に配列した凹凸面５６が形成されていることを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載の溶接トランス。

＜構成５＞
　第２の導体板４４と第３の導体板４６の接続面には、それぞれ、共通接続領域３２で、上記第２導通面群又は第３導通面群に密着するように凸部５２と凹部５４とを交互に配列した凹凸面５６が形成されていることを特徴とする構成４に記載の溶接トランス。

＜構成６＞
　第２の導体板４４と第３の導体板４６には、その内部に冷却媒体を循環させるための空洞４８が設けられていることを特徴とする構成２に記載の溶接トランス。

　２次コイル１３の共通接続領域３２には、平坦で電気的かつ熱的な導通面群が形成されている。導通面群は、それぞれ第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６の接続面に直接機械的に接合される。第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６が共通接続領域３２全体を覆っている。
　第１の導体板４２の空洞に冷媒を循環させて効率よく全体を冷却できる。さらに構造が簡素化されており機械的強度も高い。
　第１の導体板４２に環状部５０を設けると、内部に設けた環状の空洞に冷媒を循環させて、効率よく全体を冷却できる。
　第２の導体板４４と第３の導体板４６とを第１の導体板４２の環状部５０で囲むと、これらを効率よく冷却できる。
　導通面群と導体板を凹凸面５６を介して接合すると、熱伝達のための面積が広く冷却性能が高まる。凹凸面５６を利用して高精度に位置決めができ、機械的強度が高まる。

ＦＩＧ１は溶接トランス１０の等価回路である。 ＦＩＧ２はスイッチング電流と溶接電流の関係を示す電流波形図である。 ＦＩＧ３は本発明の溶接トランス１０を分解した斜視図である。 ＦＩＧ４は２次コイル１３の斜視図である。 ＦＩＧ５ＡとＦＩＧ５Ｂとは、一対の正側コイル１４と負側コイル１６を一体化したユニットの斜視図でＦＩＧ５Ｃは導体面３０ａと第１の導体板４２の接合状態を示す部分側面図である。 ＦＩＧ６は第１の導体板４２の斜視図である。 ＦＩＧ７は第２の導体板４４の斜視図である。 ＦＩＧ８は第３の導体板４６の斜視図である。 ＦＩＧ９は２次コイル１３に第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６を接続した状態の斜視図である。 ＦＩＧ１０は主要部を完成させた溶接トランス１０の外観斜視図である。

　以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

　ＦＩＧ１は溶接トランス１０の等価回路である。
溶接トランス１０は溶接機２８に溶接用の電流を供給するための装置である。溶接トランス１０には１次コイル１２と２次コイル１３と第１の整流素子１８と第２の整流素子２０とが組み込まれている。

　溶接トランス１０の１次コイル１２と２次コイル１３とは磁心１７に巻回されている。２次コイル１３は、正側コイル１４と負側コイル１６とを直列接続したものである。２次コイル１３は溶接トランス１０の二次側に複数組（この実施例では７組）並列に電気接続されている。

　正側コイル１４の一端と負側コイル１６の一端を、第１の共通電極２２に電気接続している。正側コイル１４の他端には第１の整流素子１８の一端を電気接続し、負側コイル１６の他端には第２の整流素子２０の一端を電気接続している。第１の整流素子１８の他端と第２の整流素子２０の他端を第２の共通電極２４に電気接続している。

　第１の共通電極２２と第２の共通電極２４は溶接機２８に電気接続される。１次コイル１２には、インバータによりあらかじめ設定された繰り返し周波数で極性を反転させるパルス状の１次電流が供給される。

　ＦＩＧ２は、スイッチング電流と溶接電流の関係を示す電流波形図である。このグラフは一回のスポット溶接開始から溶接終了までの溶接電流の変化を示している。ＦＩＧ２（ａ）に示したスイッチング電圧が１次コイル１２に供給されると、１次コイル１２にＦＩＧ２（ｂ）に示した１次電流が流れる。この電流が２次側で全波整流されて、ＦＩＧ２（ｃ）に示した溶接電流が溶接トランス１０から出力され溶接機２８に供給される。

（全体構造）
　ＦＩＧ３は、本発明の溶接トランス１０を分解した斜視図である。
　１次コイル１２は複数の部分に分割巻きされて磁心１７に巻回される。この１次コイル１２の構造は特許文献１で紹介されたものと同様である。２次コイル１３が、分割巻きされた１次コイル１２の各間隙に挟み込まれる。この構造も特許文献１で紹介されたものと同様である。１次コイル１２と２次コイル１３の中心部分には磁心１７が挿入される。磁心１７ａは磁路をループ状に形成するために磁心１７の端に連結される。

　２次コイル１３に第１の導体板４２が接続される。第１の導体板４２はＦＩＧ１で説明した第１の共通電極２２と２次コイル１３とを電気接続するためのものである。第２の導体板４４と第３の導体板４６とは間に図示しない絶縁シートを挟んだ状態で第１の導体板４２に設けられた穴に差し込まれ２次コイル１３に接続される。

　第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６との間には、電気的に互いを分離するために、図示しない絶縁シートが挟みこまれている。第２の導体板４４は、２次コイル１３と第１の整流素子１８とを電気接続するためのものである。

　第３の導体板４６は、２次コイル１３と第２の整流素子２０とを電気接続するためのものである。第４の導体板４７と第１の導体板４２とはＵ字状に連結され、１次コイル１２と２次コイル１３とを取り囲んでいる。

　第１の整流素子１８は第２の導体板４４と第１電極板５８の間に挟まれる。第２の整流素子２０は第３の導体板４６と第２電極板６０の間に挟まれる。第１電極板５８と第２電極板６０とは連結板６２によって連結される。連結板６２は、第１の整流素子１８と第２の整流素子２０とをＦＩＧ１で説明した第２の共通電極２４に電気接続をするためのものである。

　２次コイル１３、第１の導体板４２、第２の導体板４４、第３の導体板４６、第４の導体板４７、第１電極板５８、第２電極板６０及び連結板６２は、いずれも、銅の板を切削加工して作ることができる。

（２次コイルの構造）
　ＦＩＧ４は、２次コイル１３の斜視図である。ＦＩＧ５は、一対の正側コイル１４と負側コイル１６を一体化したユニットと、それらの導通面３０ａ、３０ｂ、３０ｃを示す斜視図である。２次コイル１３を構成する正側コイル１４と負側コイル１６とは、それぞれ、例えば、図のような形状に銅を切削加工した部品を組み合わせて製造することができる。左右に並んだ一対のワンターンコイルのうちの一方が正側コイル１４、他方が負側コイル１６である。各ユニットはそれぞれろう付けや溶接により機械的に接続される。

　（導通面）
　正側コイル１４の一端と負側コイル１６の一端とは、導通面３０ａを設けた部分を通じて連続一体化している。正側コイル１４の他端の導通面３０ｂは、導通面３０ａの中央部から突き出している。負側コイル１６の他端の導通面３０ｃも、導通面３０ａの中央部から突き出している。

　ＦＩＧ４に示すように、導通面３０ａが全体に凹凸の無いものと、中央部よりも両端部が一段高くなっているものとがある。ＦＩＧ４の実施例は、ＦＩＧ５に示したＦＩＧ５ＡとＦＩＧ５Ｂに図示した２種類のユニットをそれぞれ３組と、一番端の一対の正側コイル１４と負側コイル１６の１組とを組み合わせて一体化したものである。

　ＦＩＧ５ＡとＦＩＧ５Ｂに図示したいずれのユニットでも、正側コイル１４と負側コイル１６の一方の端子部分１４ａと１６ａ（ＦＩＧ５Ａ）とは、導体面３０ａに連結される。正側コイル１４の他方の端子部分１４ｂ（ＦＩＧ５Ａ）は導体面３０ｂに連結される。負側コイル１６の他方の端子部分１４ｃ（ＦＩＧ５Ａ）は導体面３０ｃに連結される。　

　導通面３０ａは、ＦＩＧ４に示す共通接続領域３２の面内で高さの高い部分と低い部分が交互に配列されている。導通面３０ｂと導通面３０ｃとは、それぞれ間隔を開けて一列に配列されている。導通面３０ａと導通面３０ｂと導通面３０ｃとはいずれも、第１の導体板４２や第２の導体板４４や第３の導体板４６と接する面は平坦で十分に広く、電気的かつ熱的な導通を確保することができる。

　ＦＩＧ５Ｃは、負側コイル１６の側から見た導体面３０ａと第１の導体板４２の接合状態を示す部分側面図である。このように高さの異なる導体面３０ａが交互に配列されており、ＦＩＧ６で説明する第１の導体板４２の凹凸面５６がこれらに隙間なく密着している。反対側の正側コイル１４が並んだ側面も同様の構造である。第１の導体板４２と正側コイル１４と負側コイル１６とが広い面積で接するので、高い冷却効果を得ることができる。

　全ての正側コイル１４の一端と全ての負側コイル１６の一端に形成された導通面３０ａのグループを第１導通面群と呼び、全ての正側コイル１４の他端に形成された導通面３０ｂのグループを第２導通面群と呼び、全ての負側コイル１６の他端に形成された導通面３０ｃのグループを第３導通面群と呼ぶことにする。

　上記第１導通面群は、第１の導体板４２の接続面に直接機械的に接合されている。上記第２導通面群は、第２の導体板４４の接続面に直接機械的に接合されている。上記第３導通面群は、第３の導体板４６の接続面に直接機械的に接合されている。

　導通面３０ａと導通面３０ｂと導通面３０ｃとは、互いに電気的に絶縁されるように、電気絶縁のための間隔３４が設けられ、例えば図示しない絶縁シートが挟み込まれている。ＦＩＧ５に示したユニットの構造は、同様の機能を備えるように、自由に変形が可能である。

（共通接続領域）
　共通接続領域３２には導通面３０ａが、共通接続領域３２の面全体を囲むように環状に配列されている。また、導通面３０ｂと導通面３０ｃとが、それぞれ導通面３０ａに囲まれた場所で、一列に配列されている。

（第１の導体板）
　ＦＩＧ６は、第１の導体板４２の斜視図である。
　第１の導体板４２は、全体がＬ字形の銅板により構成されている。環状部５０の接続面には、凸部５２と凹部５４とを交互に設けた凹凸面５６が形成されている。この凹凸面５６は、ＦＩＧ５Ｃで説明したように、全ての導通面３０ａと、その上面と側面とに密着するように形成されている。

　これによって、第１の導体板４２は、全ての正側コイル１４と負側コイル１６の一端に設けた導通面３０ａに電気的かつ機械的に接続される。凹凸面５６を導通面３０ａの上面と側面とに密着させると、全体が平坦な面で接するよりも伝熱のための表面積を広くできるから、冷却効率が高まる。機械強度も高まる。また、凹凸面５６を設けると、第１の導体板４２を２次コイル１３に対して正確に位置決めすることができる。

　第１の導体板４２の内部には空洞４８が形成されている。そのＡ－Ａ線とＢ－Ｂ線とＣ－Ｃ線に沿う横断面図を右上に示した。冷却媒体は、導入口６４から導入され、環状部５０の内部を通って循環し、排出口６６から排出される。この実施例では、図３と図１０に示した第４の導体板４７の内部にも冷却媒体が流れる空洞を設けることができる。第４の導体板４７は、１次コイル１２と２次コイル１３に非接触で、あるいは絶縁体を介して配置される。第４の導体板４７は、１次コイル１２と２次コイル１３を間接的に冷却する機能を有する。

　環状部５０は、共通接続領域３２の面の周辺部を覆っている。第１の導体板４２には、広い断面積の空洞４８を形成できるので、冷却水等の冷却媒体を大量に速く循環させることができる。故に、環状部５０によって２次コイル１３を効率よく冷却することができる。この空洞４８の形状や構造や経路についてはこの実施例以外に自由に選定することが可能である。

　電気的かつ熱的な導通面とは、溶接トランス１０が正常に動作するために必要な十分な電流を流すことができるような接続面であって、熱伝達に必要な十分に広い面を密着させることができる接続面である。例えば、第１導通面群は、第１の導体板４２の接続面に対して、例えば、溶接やロウ付けによリ機械的に接続される。

（第２の導体板）
　ＦＩＧ７は第２の導体板４４の斜視図である。
　第２の導体板４４の２次コイル１３と密着する部分には、凸部５２と凹部５４とを交互に配列した凹凸面５６が形成されている。この凹凸面５６は、ＦＩＧ４に示した一列に並んだ導通面３０ｂの上面と側面とに密着して電気的にかつ機械的に接続される。

　このように、凹凸面５６と導通面３０ｂとは十分に広い面積を介して接続することができる。さらに、凹凸面５６を設けたことにより、第２の導体板４４を高精度に位置決めをして接続作業をすることができる。なお、この第２の導体板４４にも、その内部に冷却媒体を循環させるための空洞４８（図示しない）が設けられており、導入口６８から冷却媒体を供給して、反対側の図示しない排出口から排出し、冷却することができる。

（第３の導体板）
　ＦＩＧ８は第３の導体板４６の斜視図である。
　第３の導体板４６の２次コイル１３と密着する部分にも、凸部５２と凹部５４とを交互に配列した凹凸面５６が形成されている。この凹凸面５６は、ＦＩＧ４に示した一列に並んだ導通面３０ｃの上面と側面とに密着して電気的にかつ機械的に接続される。凹凸面５６の効果は第２の導体板４４と同様である。冷却が可能な構造も第２の導体板４４と同様である。

　第２の導体板４４と第３の導体板４６の接続面は、第１の導体板４２の環状部５０に囲まれた領域に配置されている。第１の導体板４２と第２の導体板４４と第３の導体板４６が上記共通接続領域３２全体を覆っており、第１の導体板４２が最大面積を占める。これにより、高い冷却能力を確保する。

（組み立て）
　ＦＩＧ９は、２次コイル１３に第１の導体板４２を接続し、さらに、第１の導体板４２に、第２の導体板４４と第３の導体板４６をはめ込んだ状態を示している。第２の導体板４４と第３の導体板４６の間には、既に説明したように図示しない絶縁用のシートが挟み込まれている。また第２の導体板４４や第３の導体板４６と第１の導体板４２が接する面にも絶縁用のシートが挟み込まれている。

（全体外観）
　ＦＩＧ１０は、主要部を完成させた溶接トランスの外観斜視図である。
　２次コイル１３は、分割巻きされた１次コイル１２の各間隙に挟み込まれている。１次コイル１２と２次コイル１３の中心部分には磁心１７が挿入されている。

　第２の導体板４４には、第１の整流素子１８（この図では隠れている）がはめ込まれている。第２の整流素子１８は、第２の導体板４４と第１電極板５８によって挟まれている。第３の導体板４６には第２の整流素子２０（この図では隠れている）がはめ込まれている。第２の整流素子２０は第３の導体板４６と第２電極板６０によって挟まれている。

　端子板７０と端子板７２とは１次コイル１２の入力端子である。第１の導体板４２は第１の共通電極２２に接続される。連結板６２は第２の共通電極２４に接続される。この状態で溶接トランス１０が動作する。複数の溶接トランス１０を並列接続して使用することもできる。

　以上説明したように、第１の導体板４２は非常に簡潔な構造をしているため、内部に大きな空洞を設けることができる。環状部５０を循環するように冷却媒体を流すことができるので、冷却媒体のループ状の円滑な流れを実現できる。大量の冷媒を短時間で循環させることができるから、高い冷却効率を実現できる。

　第１の導体板４２や第２の導体板４４や第３の導体板４６は、２次コイル１３と広い面積で互いに直接密着しているので熱伝達効率が良い。接続部分は電気的にも抵抗損失が少ない。

１０　溶接トランス
１２　１次コイル
１３　２次コイル
１４　正側コイル
１６　負側コイル
１７　磁心
１８　第１の整流素子
２０　第２の整流素子
２２　第１の共通電極
２４　第２の共通電極
２８　溶接機
３０ａ　導通面
３０ｂ　導通面
３０ｃ　導通面
３２　共通接続領域
３４　電気絶縁のための間隔
４２　第１の導体板
４４　第２の導体板
４６　第３の導体板
４７　第４の導体板
４８　空洞
５０　環状部
５２　凸部
５４　凹部
５６　凹凸面
５８　第１電極板
６０　第２電極板
６２　連結板
６４　導入口
６６　排出口
６８　導入口
７０　端子板
７２　端子板

Claims (6)

1. 　１次コイルと２次コイルとが磁心に巻回され、
   　２次コイルは、正側コイルと負側コイルとを直列接続したもので、
   　正側コイルの一端と負側コイルの一端を第１の共通電極に電気接続し、
   　正側コイルの他端に第１の整流素子の一端を電気接続し、負側コイルの他端に第２の整流素子の一端を電気接続し、
   　第１の整流素子の他端と第２の整流素子の他端を第２の共通電極に電気接続し、
   　第１の共通電極と第２の共通電極は溶接機に電気接続されるためのもので、
   　１次コイルは、インバータによりあらかじめ設定された繰り返し周波数で極性を反転させるパルス状の１次電流が供給されるもので、
   　１次コイルは複数の部分に分割巻きされて磁心に巻回されており、複数の正側コイルと複数の負側コイルが、分割巻きされた１次コイルの間に挟み込まれておリ、
   　全ての正側コイルと全ての負側コイルの一端および他端には、平坦で電気的かつ熱的な導通面が形成されており、
   　全ての上記導通面が、共通接続領域で、電気絶縁のための間隔を開けて配列されており、
   　全ての正側コイルの一端と全ての負側コイルの一端に形成された導通面のグループを第１導通面群と呼び、全ての正側コイルの他端に形成された導通面のグループを第２導通面群と呼び、全ての負側コイルの他端に形成された導通面のグループを第３導通面群と呼ぶことにし、
   　上記第１導通面群は、第１の導体板の接続面に直接機械的に接合され、
   　上記第２導通面群は、第２の導体板の接続面に直接機械的に接合され、
   　上記第３導通面群は、第３の導体板の接続面に直接機械的に接合され、
   　第１の導体板と第２の導体板と第３の導体板が上記共通接続領域全体を覆っており、第１の導体板が最大面積を占め、
   　第１の導体板には、その内部に冷却媒体を循環させるための空洞が設けられ、
   　第２の導体板は第１の整流素子の一端に電気的かつ熱的な導通面を介して接触し、
   　第３の導体板は第２の整流素子の一端に電気的かつ熱的な導通面を介して接触していることを特徴とする溶接トランス。
2. 　第１の導体板は、共通接続領域の周辺部を覆う環状部を備え、この環状部の内部には冷却媒体を循環させるための空洞が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶接トランス。
3. 　第２の導体板と第３の導体板の接続面は、第１の導体板の環状部に囲まれた領域に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の溶接トランス。
4. 　第１の導体板の接続面には、共通接続領域で、上記第１の導通面群に密着するように凸部５２と凹部５４とを交互に配列した凹凸面が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接トランス。
5. 　第２の導体板と第３の導体板の接続面には、それぞれ、共通接続領域で、上記第２導通面群又は第３導通面群に密着するように凸部５２と凹部５４とを交互に配列した凹凸面が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の溶接トランス。
6. 　第２の導体板と第３の導体板には、その内部に冷却媒体を循環させるための空洞が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の溶接トランス。

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