具有多點接觸的大電流變壓器、變壓器元件、接觸板和次級繞組以及用于制造這種大電流 ...的制作方法
【專利說明】具有多點接觸的大電流變壓器、變壓器元件、接觸板和次級繞組以及用于制造這種大電流變壓器的方法
[0001]本申請是申請人為“弗羅紐斯國際有限公司”，申請日為2012年10月31日、發明名稱為“具有多點接觸的大電流變壓器、變壓器元件、接觸板和次級繞組以及用于制造這種大電流變壓器的方法”的中國專利申請N0.201280064964.1 (對應國際申請為PCT/AT2012/000273)的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及一種特別地用于電源以提供電阻焊接裝置的焊接電流的大電流變壓器，該大電流變壓器包括至少一個初級繞組和至少一個次級繞組。
[0003]本發明進一步涉及一種用于包括至少一個初級繞組和具有中央抽頭的至少一個次級繞組的大電流變壓器的變壓器元件。
[0004]本發明還涉及一種用于具有至少一個初級繞組和具有中央抽頭的至少一個次級繞組的大電流變壓器的接觸板以及特別地用于電源以提供電阻焊接裝置的焊接電流的大電流變壓器的次級繞組。
[0005]最后，本發明涉及一種制造包括至少一個初級繞組和具有用于接觸的表面的至少一個次級繞組的大電流變壓器的方法。
【背景技術】
[0006]本發明主要但并非排他地涉及一種用于電阻焊接裝置特別是點焊裝置(其中尤其出現大約幾千安培的大直流電流)的大電流變壓器及其組成部件。在本專利申請的主題內容中也覆蓋用于采用這種大直流電流的其他裝置的大電流變壓器。這種裝置的示例有電池充電器、粒子加速器、用于電鍍的設備等。例如，WO 2007/041729A1描述了一種電池充電器和用于產生相應的大直流電流的電流變壓器。
[0007]在電阻焊接裝置中，使用適當的大電流變壓器和整流器來提供所需的大直流電流。由于發生大電流，二極管整流器因為相對較高的損失而不利，因此主要采用包括由相應的晶體管形成的控制元件的有源整流器。然而，具有有源整流器(例如同步整流器)的電阻焊接裝置也具有相對較高的損失，因此效率相對較低。由于在現有技術中由例如大電流變壓器和整流裝置的通常分離設計而導致線路長度相當長并因而招致功率損失，因此由于大電流導致效率非常差。
[0008]例如，DE 10 2007 042 771 B3描述了一種通過使用同步整流器操作電阻焊接裝置的電源的方法，通過該方法能夠降低功率損耗并能夠提高效率。
[0009]在汽車工業的生產線中，使用多個點焊裝置(經常有大約有100到1000個個體單元)來準備將要制造的車輛的車身或底盤上的各種連接。由于個體點焊裝置已經因為大電流變壓器和電力線路和電路元件而導致高損失，在這種生產線中產生的總損失在極其高的尺寸范圍內，例如在1MW和50MW之間。因為損失主要反映為熱損失的形式，因此必須再次采取措施將這些熱消散，從而甚至進一步劣化了總體能量平衡。
[0010]由該事實產生的另一個缺點是，因為這種設施的高損失，所以電網需要非常高的連接瓦數，從而導致這種設施的制造、試運轉和操作費用非常高。
[0011]為了利用20kA的焊接電流產生單個點焊，根據現有技術，從當前觀點來看，例如需要高達150kW的電網連接瓦數，其中使用所述焊接電流，產生了高達135kW的損失，從而獲得了僅大約10%的非常低的效率。
【發明內容】
[0012]因此，本發明的目的是創造出一種大電流變壓器、用于這種大電流變壓器的變壓器元件、接觸板、次級繞組和制造這種大電流變壓器的方法，通過這種大電流變壓器，能夠降低損失，并且能夠提高能量平衡和效率。應該能夠避免或減少已知裝置的缺點。
[0013]根據本發明的目的通過以上提到的大電流變壓器來解決，該大電流變壓器特別地用于用以提供電阻焊接裝置的焊接電流的電源，其中設置至少四個觸頭以形成多點接觸，所述觸頭由四個接觸面形成，所述至少一個初級繞組和所述至少一個次級繞組以串聯/并聯連接方式布置在所述四個接觸面內。由于所述多點接觸，能夠防止將所述大電流變壓器的次級側連接至消費負載通常需要的線路或能夠降低該線路的長度，因而能夠顯著降低歐姆損失以及接觸損失。因而，優選地，能夠采用具有優選大橫截面的較短線路。另一個優點在于，由于這種接觸，降低了損失，特別是降低了接觸電阻損失。由于所述至少四個觸頭，待傳輸的電流能夠被減半，由此還致使接觸損失降低。這還實現了能夠基本增加有源接觸面積，這轉而降低接觸電阻。通過根據本發明的這種大電流變壓器，可以將用于產生例如20kA的電流的連接瓦數降低至僅僅75kW(與相當的現有技術裝置的150kW相比)，其中發生了60kff的損失。因此，與現有技術相比，能夠實現近似兩倍高的高達20%以上的效率。
[0014]為了實現用于產生大次級側電流的大電流變壓器的所需變壓比，根據本發明的另一個特征，所述大電流變壓器包括串聯連接的多個初級繞組，優選串聯連接的至少10個初級繞組，以及并聯連接的具有中央抽頭的多個次級繞組，優選并聯連接的具有中央抽頭的至少10個次級繞組。初級電流流過所述大電流變壓器的串聯連接的初級繞組，同時相對大的次級側電流在并聯連接的多個優選至少10個次級繞組之間分割。次級側的分流電流被供應至同步整流器的對應電路元件。通過使用這種分割，得到了對應高的變壓比，而不管較低的初級和次級匝數。通過使用所述構造，與傳統的大電流變壓器相比，初級側上需要較低匝數，由此能夠降低初級繞組的長度，并能夠由此降低歐姆損失。因為繞組匝數減少，結果使得所得到的線路長度減小，所以又降低了系統通常具有的大電流變壓器的漏電感，由此所述大電流變壓器能夠以例如10kHz的更高切換頻率進行操作。進而，更高切換頻率導致所述大電流變壓器總體尺寸和重量降低，因而導致有利的安裝選項。因此，所述大電流變壓器能夠例如盡可能接近消費負載定位，例如接近電阻焊接裝置的電極。因而，甚至焊接機器人的負載也能夠由于所述大電流變壓器的較低重量而降低，從而小的更廉價的機器人就足以夠用。
[0015]所述大電流變壓器的變壓比為至少10至1000，優選為至少100，以確保產生大次級側電流。
[0016]所述大電流變壓器的特別有利的構造能夠被實現，因為:所述大電流變壓器包括由導電材料制成的工字梁，至少一個相應的環狀芯體布置在該工字梁的凹部內，其中每個次級繞組的一個相應接線與所述工字梁的內表面和接觸板直接接觸，并且所述工字梁的外表面形成了所述大電流變壓器的兩個第一觸頭。所述工字梁因而形成了所述大電流變壓器的基礎，所述次級繞組圍繞該工字梁布置，從而不需要連接線路。所述工字梁的外表面代表所述大電流變壓器的兩個第一觸頭，所述兩個第一觸頭直接地即不用線路地連接至相應的消費負載。因為所述環狀芯體沒有被設計成圓形而是橢圓的，因此實現了節省空間的布置。優選地，采用閉合環狀芯體。通過使用所述設計，能夠實現所述初級繞組和所述次級繞組的串聯/并聯連接，由此實現了利用減少匝數的所述初級繞組和所述次級繞組提供用于大直流電流的所述大電流變壓器的所需變壓比。當在所述工字梁的每側布置至少三個并聯連接的次級繞組時，這種設計是特別有用的。
[0017]有利地，所述大電流變壓器的至少一個次級繞組的中央抽頭不用線路地與所述工字梁連接。因此，可以省略各個組成部件之間的對應線路。通過將所述次級繞組直接連接至所述工字梁的中心，還實現了連接表面的顯著增加，因而能夠再次降低接觸損失和線路損失。
[0018]在具有工字梁的所述大電流變壓器的上述構造中，所述大電流變壓器的至少一個初級繞組被布置成延伸穿過所述至少一個環狀芯體，特別是在所述工字梁的凹部中對稱地布置在兩側的所述環狀芯體。通過使用這樣布置的初級繞組，能夠實現與所述次級繞組的最佳磁性耦合。
[0019]如以上已經提到的，所述次級繞組通過所述大電流變壓器的所述工字梁彼此電連接。每個次級繞組的相應其他接線通過同步整流器和啟動電路與每個均由導電材料制成的接觸板優選直接連接，所述接觸板位于所述工字梁的凹部和布置在其中的所述次級繞組的上方，其中這些接觸板的外表面形成了所述電源的兩個附加觸頭。
[0020]根據本發明的另一個特征，所述大電流變壓器的所述至少一個初級繞組的接線被引導通過所述工字梁的外表面上的至少一個開口。所述大電流變壓器的所述初級繞組的接線可以從此處連接至對應的電源或供電單元。
[0021]所述大電流變壓器的一個有利實施方式還由如下構造產生，其中一個具有中央抽頭的次級繞組均由圍繞環狀芯體的橫截面并穿過所述環狀芯體的具有基本S形鏡像倒置曲線的由導電材料制成的彼此絕緣的兩個金屬片材形成，其中所述金屬片材的外表面形成了用于與所述同步整流器的電路元件或所述工字梁并因而與電阻焊接裝置的電極連接的觸頭。這實現了一個極其節省空間的緊湊構造。同時，非常大的接觸表面可用于將次級繞組與所述工字梁的中央或中央腹板和同步整流器的電路元件連接，從而以盡可能小的損失確保大電流。
[0022]用以形成所述大電流變壓器的所述次級繞組的金屬片材通過絕緣層(例如紙層)而彼此絕緣。因此，可以將兩個次級繞組布置在一個環狀芯體上并因而可以顯著地降低總體尺寸、重量和損失。通過這種布置，在所述次級側上實現中央整流器，其中所述工字梁利用所述次級繞組的一個連接端(特別是焊接端)形成了該中央整流器。
[0023]所述大電流變壓器的所述工字梁和所述接觸板優選形成立方體或方石形狀的單元，其中在所述工字梁和所述接觸板之間布置電絕緣。所述工字梁的兩個外表面代表兩個第一觸頭，而所述接觸板的兩個外表面代表所述電源的與所述兩個第一觸頭偏移90°的兩個附加觸頭。如果將用于提供直流電源的電源的其他組成部件，諸如同步整流器、啟動電路、用于同步整流器和啟動電路的供電電路集成在該立方體或方石形狀的單元中，則形成了自主單元，僅必須將該自主單元的輸入側與供電單元連接，并且僅必須將該自主單元的輸出側與相應的消費負載連接。電源的各個電路之間的通常線路可以被省略或可以至少基本上降低它們的長度。
[0024]如果將覆蓋板布置在所述工字梁的前表面處，可以以立方體或方石形狀形成所述大電流變壓器的更堅固單元。
[0025]如果所述覆蓋板也由導電材料形成，并且適合于被擰在所述接觸板上，則可以實現所述接觸板的電連接。因而，可以省略將兩個接觸板彼此電連接的單獨電線路，以建立電壓或電位平衡，并因而避免兩個接觸板的不平衡。所述覆蓋板因而建立用于提供直流電流的所述大電流變壓器或電源的對稱布置的兩個接觸板的電連接。
[0026]所述覆蓋板與所述大電流變壓器的所述工字梁電絕緣。
[0027]所述工字梁和/或所述接觸板和/或所述覆蓋板和/或用于形成所述大電流變壓器的所述次級繞組的所述金屬片材優選由優選具有銀涂層的的銅或銅合金形成。銅或銅合金具有最佳的電特性并表現出良好的導熱性，由此能夠更快地排出所發生的熱損失。銀涂層防止銅或銅合金氧化。代替銅或銅合金，也可以考慮鋁或鋁合金，相比于銅，鋁具有重量優勢，不過抗腐蝕性不太高。代替銀涂層，錫和其他材料或化合物的涂層或它們的層也是可行的。
[0028]在所述工字梁的外表面上和在所述接觸板的外表面上，可以布置連接裝置，優選具有螺紋以收納螺釘的鉆孔。通過這些連接裝置，電源與消費負載的組成部件例如電阻焊接裝置的焊槍的機械連接和電連接都可以建立。此外，各種其他元件也可以通過這種連接裝置附接至工字梁或接觸板的外表面。
[0029]根據本發明的另一個特征，在所述工字梁的每側的第一次級繞組處，均布置有用于測量流過該次級繞組的電流的電流換能器，所述電流換能器與啟動電路連接。所述電流換能器測量所述次級側電流，由于該次級側電流，同步整流器的電路元件被啟動以使傳導損失和切換損失最小。在以包括所述大電流變壓器的工字梁作為大電流變壓器的基礎的所述大電流變壓器或電源的對稱布置的情況下，次級繞組布置在所述工字梁的兩側上，并且所述電