一种空气等离子弧逆变式切割机的结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型是关于一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，包括切割机的外壳体及设在该外壳体内部的构成逆变切割机的各个零部件，切割机设计为上下两层的内部结构，主要采用三块电路板组件的结构，所述切割机的额定电流/电压最高可达50A/100V。依据电流等级的不同，其形成的系列切割机的额定负载持续率可在80～100%之间，额定电流越小的，则额定负载持续率越高。可设计为50A/100V（80%）、40A/96V（90%）、30A/92V（100%）等多种电流等级和规格型号的产品。切割机的尺寸为510×210×370mm，重量为23～22kg。不仅体积小，而且重量轻，携带十分方便。
【专利说明】一种空气等离子弧逆变式切割机的结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种小型逆变式空气等离子弧切割机产品，具体是一种空气等离子弧逆变式切割机的结构。
【背景技术】
[0002]当前，等离子切割机产品市场的竞争十分激烈，不仅体现在技术的先进性和优势上，还在很大程度上取决于切割机的外观和结构设计、生产制造工艺的先进性、生产效率的高低、生产成本的多少，产品的一致性和可靠性等方面。
[0003]目前，国内外市场上小型逆变式空气等离子弧切割机的额定电流最大通常只能达到40A (60%负载持续率)的水平，在考虑低成本的情况下，小电流等级(如40A、30A、20A等)的切割机产品容易开发或实现，大电流等级的产品则有技术难度，国内此类切割机，很多是采用MOSFET管逆变控制技术来制作的；M0SFET管逆变切割机，需要采用很多的MOSFET管并联来扩大器件的电流，这就使切割机的电路板尺寸大、电路板和整机结构复杂，同时也存在着产品可靠性低、制作成本高等问题；近一些年来，采用单管IGBT的逆变等离子切割机逐渐成为此类产品开发的重点；由于单管IGBT的电流等级大，不需要像MOSFET管那样，采用多管并联的方式来扩大其器件的电流，因此，产品的可靠性得以提高；同时，这种逆变电子开关器件数量的减少可使切割机的电路板尺寸变小，电路板和整机结构变得简单，同时产品的制作成本和工艺水平也得以提高；解决了 MOSFET多管并联技术存在的诸多问题，体现了单管IGBT逆变控制技术的优势和发展前景，尽管小型单管IGBT逆变控制技术的等离子切割机也有不少产品，然而，能够实现大电流(50A)等级高负载持续率(80-100%)和可靠性的产品还是非常少的， 制作成本是一大障碍，即使是40Α及以下电流的产品，不同的产品制造企业，由于设计水平的差异，产品的结构和可靠性等性能也是存在较大差异的。
[0004]目前，MOSFET多管并联的等离子切割机，其内部采用上、中、下三控制板和整机布局结构，显得复杂和技术落后；采用单管IGBT逆变的切割机，有的采用单块电路板的内部结构设计形式，有的采用二板上、下控制板和整机布局结构；与MOSFET多管并联的等离子切割机相比，明显有了较大的技术进步。但是，上述这些逆变空气等离子切割机，受切割机电路和内部结构设计、功率器件散热条件及其冷却效果等因素的限制，使它们在较大电流输出(如40Α)时其负载持续率难以做的很大，较短的工作时间就会出现切割机热保护。如不少切割机的负载持续率只有20飞0%，如此短的切割时间，使不少客户相当不满意，甚至很多机器就是40Α、50Α的额定工作电流都达不到；另外，有的单管IGBT单电路板结构的逆变切割机，由于大功率器件发热严重，甚至会烧坏电路板，使电路板无法修复，造成厂家或用户的较大经济损失，其次，我国的切割机生产企业数量多，并且呈现小而分散的特点，由于企业的实力弱，产品的生产数量很少，没有能力采用大量的SMT贴片器件来实现切割机产品的自动化或规模化生产，因此，产品的生产效率低下，工艺水平往往是手工作业水平，显得十分落后。同时，也为产品的不可靠埋下了隐患。
[0005]虽然采用单管IGBT逆变控制电路构成的空气等离子弧切割机种类是比较多的，它们的电路和切割机内外部结构形式也是多种多样的，但是，不同的电路及其结构设计思路，所采用的具体电路形式和整个电路布置的方式是不同的，不仅如此，切割机的性能指标包括输出的电流/电压范围及其对应的负载持续率、绝缘等级、温升、制作工艺水平、产品可靠性等也会表现出一些明显的差距。即使是在相同的产品参数性能指标下，由于具体电路及其切割机结构设计方面的不同，或者所采用的电子元器件的封装形式不同，因而电路板等元器件的装配、焊接和检测工艺水平、自动化程度等也会明显不同，这就会使逆变式空气等离子弧切割机这类电子产品电路板的尺寸、生产时安装的方便性、生产效率、生产成本、产品的成本等也会显著不同。例如，如果采用大量SMT贴片器件或集成电路的切割机，由于这些器件的体积小，因而会使电路板的尺寸减小，降低PCB材料的成本。同时，由于装焊这些器件通常采用先进、高效、适合于大批量自动化生产和检测的设备，所以，可极大地提高电路板或电子产品的生产效率，降低生产成本，增加产品的市场竞争力；也就是说，结构和电路设计不同的切割机，其技术参数、使用性能、生产效率，甚至产品外观和可靠性以及市场竞争力等是差别比较大的。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供一种空气等离子弧逆变式切割机的结构切割机，其额定电流/电压最高可达50A/100V，依据电流等级的不同，其形成的系列切割机的额定负载持续率可在80?100%之间，额定电流越小的，则额定负载持续率越高，可设计为50A/100V(80%负载持续率)、40A/96V (90%负载持续率)、30A/92V (100%负载持续率)等多种电流等级和规格型号的产品，大电流和高负载持续率是本实用新型的一大技术特色，不仅体积小，而且重量轻，携带十分方便，切割机的控制电路板设计为三块。电路板都采用了大量的表面贴片电子元器件和SMT表面贴装工艺方法进行自动加工。切割机的电路和电路板及整机的结构设计合理，安装方便，故生产效率高、制作成本低。切割机的结构设计独特，使得切割机的负载持续率在小型便携式逆变切割机中属于比较高的。
[0007]为实现上述目的采用以下技术方案:
[0008]本实用新型涉及一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，包括切割机的外壳、前面板、后面板、冷却风机、电源开关、电源线、切割枪和接地夹组件，其特征在于:切割机的内部主要分为上、下层两个部分，其上层部分为供电、输入整流和滤波以及输出参数控制部分；其下层部分为逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气压检测部分，两个部分之间通过控制导线进行电路连接。
[0009]下层部分包括IGBT电路板、4只单管IGBT及其散热器、快速恢复整流二极管及其散热器、IGBT开关驱动板、逆变主变压器、电流输出滤波电抗器、引弧电抗器、引弧高频耦合电抗器、干簧管磁控开关、冷却风机。
[0010]上层部分包括电路板供电的控制变压器、交流电源输入整流和电解电容滤波电路板、空气减压阀、气压检测开关、电磁控制气阀和切割机电路的主控制板，这些部分固定在切割机的中层隔板上，与下部形成隔离，主控制板位于上层空间，相当于被金属外壳包围，可起到隔离来自下层的大电流强电磁干扰的作用。
[0011]所述的前面板上安装有:空气电源开关、输出电流数显表、工作和电源及热保护状态指示灯，试气检测/切割转换开关、输出电流调节电位器、等离子弧切割枪组件、工件夹电缆组件；所述的后面板上安装有:供电电源线、风机防护罩、冷却风机。
[0012]本实用新型上层的主控制板上，有大量的电子元器件，对于这个电路组件部分，只有少量尺寸大的元器件需要手工装配和焊接，其它的很多SMT贴片式或插件式电子元器件都在这个电路板上，并且是采用高效率的贴片机和插件机自动完成器件安装和焊接的，因此，这部分电路板的生产效率很高，出错率低，制作质量都比较高，最终可使切割机产品生产时的一次合格率很高，降低了生产成本，提高了产品的市场竞争力，冷却风机位于切割机的后部，冷风从切割机机箱后部的进气孔进行。可使下层部分的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果，这样的风道和冷却方式设计，也是本实用新型空气等离子弧切割机实现较大电流和高负载持续率的重要原因之一。
[0013]本实用新型切割机采用模块化的设计理念，主要模块有:IGBT驱动电路模块；单管IGBT及其电路板和相应的散热器模块；快速恢复整流二极管及其散热器模块；逆变主变压器；电流输出滤波电抗器；引弧高频耦合电抗器，对不同电流等级和负载持续率要求的切割机，可通过配置不同的模块规格参数，形成不同输出额定电流和负载持续率的产品，使产品系列化。例如，采用小的或不同电流等级的IGBT器件及其散热器尺寸，可形成另一个适合小电流输出的组件；改变快速恢复二极管的型号和参数，配合改变相应的散热器，可形成另外的快速恢复整流二极管及其散热器模块等，当然，这些模块和零部件的变化，目的是使产品的制作成本与相应机器的规格参数和性能指标相匹配，这样，每种规格型号的切割机才能实现最优化的成本控制模式，同时，也可使不同规格的切割机具有不同的成本。这就提升了所开发产品的市场竞争力。
[0014]本实用新型不仅采用了先进的逆变控制技术，而且还采用了大量的SMT贴片或插件生产等高新技术和工艺，因而具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、生产效率高、制造技术先进等优点；通过改变不同模块的配置规格和参数，即可改变切割机的输出电流或功率及负载持续率的大小，容易形成符合国家和国际标准的系列化产品，例如，制成50A、40A、30A电流等级的切割机产品，可使切割机的输出功率大，额定输出电流高达50A/100V (80%负载持续率)?30A/92V (100%负载持续率)的水平，良好的电路及其结构设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型切割机的结构爆炸图
[0016]图1中的零部件清单如下:1手柄，2切割机机箱外壳，3电源电路板，4主控制板，5控制变压器，6机箱中层隔板，7 IGBT开关驱动控制板，8 IGBT电路板，9 IGBT管，10快恢复整流二极管散热器，11 IGBT单管的散热器，12散热器安装支架，13电流输出滤波电抗器，14电流输出滤波电抗器支架，15逆变主变压器固定板，16逆变主变压器，17引弧高频耦合电抗器，18干簧管磁控开关，19分流器，20引弧高频耦合电抗器支架，21支架紧固螺丝，22引弧电抗器，23空气电源开关，24空气电源开关安装支架，25输出电流数显表，26工作、电源和热保护状态指示灯，27试气检测/切割转换开关，28输出电流调节电位器，29切割枪电缆拉不脱固定器，30等离子弧切割枪组件，31工件夹电缆组件，32工件夹电缆拉不脱固定器，33机箱前面板，34机箱地垫，35机箱底板，36供电电源线电缆拉不脱固定器，37供电电源线，38风机防护罩，39逆变变压器紧固螺丝，40空气减压阀，41气压检测开关，42电磁控制气阀，43风机紧固螺丝组件，44冷却风机。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，包括切割机的外壳2、前面板33、后面板35、冷却风机44、电源开关23、电源线37、切割枪30和接地夹组件31，切割机的内部主要分为上、下层两个部分。从电路功能来分，其上层部分为供电、输入整流和滤波以及输出参数控制部分；其下层部分为逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气压检测等部分，两个部分之间通过一些控制导线进行电路连接。
[0018]所述的上层部分，主要包括电路板供电的控制变压器5、交流电源输入整流和电解电容滤波电路板3、空气减压阀40、气压检测开关41、电磁控制气阀42和切割机电路的主控制板4，这些部分固定在切割机的中层隔板6上，与下部形成隔离，主控制板4位于上层空间，相当于被金属外壳包围。可起到隔离来自下层的大电流强电磁干扰的作用。
[0019]所述的下层部分，采用的器件和零部件较多，主要包括IGBT电路板8、四只单管IGBT 9及其散热器11、快速恢复整流二极管及其散热器10、IGBT开关驱动板7、逆变主变压器16、电流输出滤波电抗器13、引弧电抗器22、引弧高频耦合电抗器17、干簧管磁控开关18、冷却风机44等部分。
[0020]切割机的前面板33上安装的零部件主要有，空气电源开关23、输出电流数显表25、工作和电源及热保护状态指示灯26、试气检测/切割转换开关27、输出电流调节电位器28、等离子弧切割枪组件30、工件夹电缆组件31，指示灯26分为三个，绿色为切割机输出工作指示；白色为供电电源指示；黄色为过热状态指示；切割机的后面板35上安装的零部件主要有:供电电源线37、风机防护罩38、冷却风机44等部分。
[0021 ] 在上层的电源电路板3上，有单相整流器及散热器、滤波电解电容、继电器等电子器件和零部件，在上层的主控制板4上，有大量的电子元器件。对于这个电路组件部分，只有少量尺寸大的元器件需要手工装配和焊接。其它的很多SMT贴片式或插件式电子元器件都在这个电路板上，并且是采用高效率的贴片机和插件机自动完成器件安装和焊接的。因此，这部分电路板的生产效率很高，出错率低，制作质量都比较高，最终可使切割机产品生产时的一次合格率很高。降低了生产成本，提高了产品的市场竞争力。
[0022]本实用新型切割机采用模块化的设计理念，主要模块有:IGBT驱动电路模块7 ;单管IGBT及其电路板和相应的散热器模块8、9、11 ;快速恢复整流二极管及其散热器10模块；逆变主变压器16 ;电流输出滤波电抗器13 ;引弧高频耦合电抗器17，对不同电流等级和负载持续率要求的切割机，可通过配置不同的模块规格参数，形成系列化产品。例如，采用不同电流等级的IGBT器件及其散热器尺寸，可形成适合小电流(如30A)输出的组件；改变快速恢复二极管的型号和参数，配合改变相应的散热器，可形成另外的快速恢复整流二极管及其散热器10模块等。模块和零部件的变化，目的是使产品的制作成本与相应机器的规格参数和性能指标相匹配，这样，每种型号的切割机才能实现最优化的成本控制模式。
[0023]冷却风机44位于切割机的后部，冷风从切割机机箱35后部的进气孔进行，可使下层部分的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果，这样的风道和冷却方式设计，也是本实用新型空气等离子弧切割机实现较大电流和高负载持续率的重要原因之一；此外，一般电流/电压等级的逆变式空气等离子弧切割机，在电路或者部件的布置方式、采用SMT贴片和插件器件的多少和电路板的生产自动化程度等方面都与本实用新型的不一样。
[0024]本实用新型切割机的工作原理简述如下:通电后，电源开关23接通电网电源。相应的控制变压器5和控制板3、4、8、7等带电工作，从电网来的交流电，经过电路板3上的整流桥整流后变为直流电，再经过电解电容的滤波，变为较为稳定的直流电，供给由IGBT组件8和9、逆变变压器16、快速恢复二极管组件10等组成的逆变电路，通过切割机前面板33上的试气检测/切割转换开关27，可检测切割机的气体压力是否正常，有没有漏气等现象；如果检测正常，则通过该开关27转换到准备切割的工作状态；压缩空气的气压和流量可通过减压阀40设定，当气压足够的时候，气压检测开关41才能动作，才能使切割机进行工作，防止压缩空气的气压或流量不足烧坏等离子切割枪30 ;切割时，按压等离子切割枪30上的开关，即可实现等离子小电流的引导弧点火，无需接触工件，当切割枪去切割工件时，切割枪的电极与工件间可形成大电流的切割等离子弧，实现对工件的切割操作。引弧高频需要在控制电路、引弧高频耦合电抗器17和引弧电抗器22等作用下才能形成。如果切割机有电流输出，则靠近引弧高频耦合电抗器17的干簧管磁控开关18才能动作，才能发出信号对电路的控制实施状态转换。逆变和切割机输出电流参数的控制是通过电路板4的控制电路、电流给定电位器28、电流检测的分流器19等来实现的。切割机电源的输出外特性为垂直陡降或恒流输出特性。该输出特性是通过输出电流的截止负反馈和逆变电路IGBT的PWM脉冲宽度调节来实现的。电流输出的大小由电位器28进行调节和设定；分流器19对输出电流进行采样，在电路板的控制作用下，当检测到的输出电流大小超过电位器28的设定值时，主控制板4产生的PWM脉冲的宽度会减小，随着输出电流的微小增加，PWM脉冲宽度大幅度减小，这样就实现了电流微小增加，输出电压快速下降，即切割机产生垂直陡降或恒流输出特性；调节电位器28即可调节切割机的输出电流大小，实现对不同厚度工件的切割操作；关于反馈和PWM及输出特性控制过程，可参见相关的控制原理说明进行了解；此外，当切割机中主要零部件(如IGBT、变压器)发生过热现象时，控制电路会关闭PWM脉冲输出，同时，切割机停止电流输出，并使过热指示灯(黄色)点亮；在冷却风机的作用下，当主要零部件(如IGBT、变压器)的温度下降到一定程度后，控制电路才能产生PWM脉冲输出，同时，切割机才可能有电流输出，同时过热指示灯(黄色)熄灭。
[0025]本实用新型不仅采用了先进的逆变控制技术，而且还采用了大量的SMT贴片或插件生产等高新技术和工艺，因而具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、生产效率高、制造技术先进等优点；通过改变不同模块的配置规格和参数，即可改变切割机的输出电流或功率及负载持续率的大小，容易形成符合国家和国际标准的系列化产品，例如，制成50A、40A、30A电流等级的切割机产品，可使切割机的输出功率大，额定输出电流高达50A/100V (80%负载持续率)?30A/92V (100%负载持续率)的水平，良好的电路及其结构设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。
[0026]以上内容是结合具体的切割机结构和电路板及控制功能对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只限于这些说明，对本实用新型所述【技术领域】的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演和替换，这些都应该视为属于本实用新型保护的范畴。
【权利要求】
1.一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，包括切割机的外壳(2)、前面板(33)、后面板(35)、冷却风机(44)、电源开关(23)、电源线(37)、切割枪(30)和接地夹组件(31)，其特征在于:切割机的内部主要分为上、下层两个部分，其上层部分为供电、输入整流和滤波以及输出参数控制部分；其下层部分为逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气压检测部分，两个部分之间通过控制导线进行电路连接。
2.如权利要求1所述的一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，其特征在于:下层部分包括IGBT电路板(8)、4只单管IGBT (9)及其散热器(11)、快速恢复整流二极管及其散热器(10)、IGBT开关驱动板(7)、逆变主变压器(16)、电流输出滤波电抗器(13)、引弧电抗器(22)、引弧高频耦合电抗器(17)、干簧管磁控开关(18)、冷却风机(44)。
3.如权利要求1所述的一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，其特征在于:上层部分包括电路板供电的控制变压器(5)、交流电源输入整流和电解电容滤波电路板(3)、空气减压阀(40)、气压检测开关(41)、电磁控制气阀(42)和切割机电路的主控制板(4)，这些部分固定在切割机的中层隔板(6)上，与下部形成隔离，主控制电路板(4)位于上层空间，相当于被金属外壳包围，可起到隔离来自下层的大电流强电磁干扰的作用。
4.如权利要求1所述的一种空气等离子弧逆变式切割机的结构，其特征在于:所述的前面板(33)上安装有:空气电源开关(23)、输出电流数显表(25)、工作和电源及热保护状态指示灯(26)，试气检测/切割转换开关(27)、输出电流调节电位器(28)、等离子弧切割枪组件(30)、工件夹电缆组件(31);所述的后面板(35)上安装有:供电电源线(37)、风机防护罩(38)、冷却风机(44)。
【文档编号】B23K10/00GK203817607SQ201320706819
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】朱宣东, 蔡庆乐, 魏继昆, 朱宣辉, 陈法庆 申请人:浙江肯得机电股份有限公司