具有多点接触的大电流变压器、变压器元件、接触板和次级绕组以及用于制造这种大电流 ...的制作方法
【专利说明】具有多点接触的大电流变压器、变压器元件、接触板和次级绕组以及用于制造这种大电流变压器的方法
[0001]本申请是申请人为“弗罗纽斯国际有限公司”，申请日为2012年10月31日、发明名称为“具有多点接触的大电流变压器、变压器元件、接触板和次级绕组以及用于制造这种大电流变压器的方法”的中国专利申请N0.201280064964.1 (对应国际申请为PCT/AT2012/000273)的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种特别地用于电源以提供电阻焊接装置的焊接电流的大电流变压器，该大电流变压器包括至少一个初级绕组和至少一个次级绕组。
[0003]本发明进一步涉及一种用于包括至少一个初级绕组和具有中央抽头的至少一个次级绕组的大电流变压器的变压器元件。
[0004]本发明还涉及一种用于具有至少一个初级绕组和具有中央抽头的至少一个次级绕组的大电流变压器的接触板以及特别地用于电源以提供电阻焊接装置的焊接电流的大电流变压器的次级绕组。
[0005]最后，本发明涉及一种制造包括至少一个初级绕组和具有用于接触的表面的至少一个次级绕组的大电流变压器的方法。
【背景技术】
[0006]本发明主要但并非排他地涉及一种用于电阻焊接装置特别是点焊装置(其中尤其出现大约几千安培的大直流电流)的大电流变压器及其组成部件。在本专利申请的主题内容中也覆盖用于采用这种大直流电流的其他装置的大电流变压器。这种装置的示例有电池充电器、粒子加速器、用于电镀的设备等。例如，WO 2007/041729A1描述了一种电池充电器和用于产生相应的大直流电流的电流变压器。
[0007]在电阻焊接装置中，使用适当的大电流变压器和整流器来提供所需的大直流电流。由于发生大电流，二极管整流器因为相对较高的损失而不利，因此主要采用包括由相应的晶体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)的电阻焊接装置也具有相对较高的损失，因此效率相对较低。由于在现有技术中由例如大电流变压器和整流装置的通常分离设计而导致线路长度相当长并因而招致功率损失，因此由于大电流导致效率非常差。
[0008]例如，DE 10 2007 042 771 B3描述了一种通过使用同步整流器操作电阻焊接装置的电源的方法，通过该方法能够降低功率损耗并能够提高效率。
[0009]在汽车工业的生产线中，使用多个点焊装置(经常有大约有100到1000个个体单元)来准备将要制造的车辆的车身或底盘上的各种连接。由于个体点焊装置已经因为大电流变压器和电力线路和电路元件而导致高损失，在这种生产线中产生的总损失在极其高的尺寸范围内，例如在1MW和50MW之间。因为损失主要反映为热损失的形式，因此必须再次采取措施将这些热消散，从而甚至进一步劣化了总体能量平衡。
[0010]由该事实产生的另一个缺点是，因为这种设施的高损失，所以电网需要非常高的连接瓦数，从而导致这种设施的制造、试运转和操作费用非常高。
[0011]为了利用20kA的焊接电流产生单个点焊，根据现有技术，从当前观点来看，例如需要高达150kW的电网连接瓦数，其中使用所述焊接电流，产生了高达135kW的损失，从而获得了仅大约10%的非常低的效率。
【发明内容】
[0012]因此，本发明的目的是创造出一种大电流变压器、用于这种大电流变压器的变压器元件、接触板、次级绕组和制造这种大电流变压器的方法，通过这种大电流变压器，能够降低损失，并且能够提高能量平衡和效率。应该能够避免或减少已知装置的缺点。
[0013]根据本发明的目的通过以上提到的大电流变压器来解决，该大电流变压器特别地用于用以提供电阻焊接装置的焊接电流的电源，其中设置至少四个触头以形成多点接触，所述触头由四个接触面形成，所述至少一个初级绕组和所述至少一个次级绕组以串联/并联连接方式布置在所述四个接触面内。由于所述多点接触，能够防止将所述大电流变压器的次级侧连接至消费负载通常需要的线路或能够降低该线路的长度，因而能够显著降低欧姆损失以及接触损失。因而，优选地，能够采用具有优选大横截面的较短线路。另一个优点在于，由于这种接触，降低了损失，特别是降低了接触电阻损失。由于所述至少四个触头，待传输的电流能够被减半，由此还致使接触损失降低。这还实现了能够基本增加有源接触面积，这转而降低接触电阻。通过根据本发明的这种大电流变压器，可以将用于产生例如20kA的电流的连接瓦数降低至仅仅75kW(与相当的现有技术装置的150kW相比)，其中发生了60kff的损失。因此，与现有技术相比，能够实现近似两倍高的高达20%以上的效率。
[0014]为了实现用于产生大次级侧电流的大电流变压器的所需变压比，根据本发明的另一个特征，所述大电流变压器包括串联连接的多个初级绕组，优选串联连接的至少10个初级绕组，以及并联连接的具有中央抽头的多个次级绕组，优选并联连接的具有中央抽头的至少10个次级绕组。初级电流流过所述大电流变压器的串联连接的初级绕组，同时相对大的次级侧电流在并联连接的多个优选至少10个次级绕组之间分割。次级侧的分流电流被供应至同步整流器的对应电路元件。通过使用这种分割，得到了对应高的变压比，而不管较低的初级和次级匝数。通过使用所述构造，与传统的大电流变压器相比，初级侧上需要较低匝数，由此能够降低初级绕组的长度，并能够由此降低欧姆损失。因为绕组匝数减少，结果使得所得到的线路长度减小，所以又降低了系统通常具有的大电流变压器的漏电感，由此所述大电流变压器能够以例如10kHz的更高切换频率进行操作。进而，更高切换频率导致所述大电流变压器总体尺寸和重量降低，因而导致有利的安装选项。因此，所述大电流变压器能够例如尽可能接近消费负载定位，例如接近电阻焊接装置的电极。因而，甚至焊接机器人的负载也能够由于所述大电流变压器的较低重量而降低，从而小的更廉价的机器人就足以够用。
[0015]所述大电流变压器的变压比为至少10至1000，优选为至少100，以确保产生大次级侧电流。
[0016]所述大电流变压器的特别有利的构造能够被实现，因为:所述大电流变压器包括由导电材料制成的工字梁，至少一个相应的环状芯体布置在该工字梁的凹部内，其中每个次级绕组的一个相应接线与所述工字梁的内表面和接触板直接接触，并且所述工字梁的外表面形成了所述大电流变压器的两个第一触头。所述工字梁因而形成了所述大电流变压器的基础，所述次级绕组围绕该工字梁布置，从而不需要连接线路。所述工字梁的外表面代表所述大电流变压器的两个第一触头，所述两个第一触头直接地即不用线路地连接至相应的消费负载。因为所述环状芯体没有被设计成圆形而是椭圆的，因此实现了节省空间的布置。优选地，采用闭合环状芯体。通过使用所述设计，能够实现所述初级绕组和所述次级绕组的串联/并联连接，由此实现了利用减少匝数的所述初级绕组和所述次级绕组提供用于大直流电流的所述大电流变压器的所需变压比。当在所述工字梁的每侧布置至少三个并联连接的次级绕组时，这种设计是特别有用的。
[0017]有利地，所述大电流变压器的至少一个次级绕组的中央抽头不用线路地与所述工字梁连接。因此，可以省略各个组成部件之间的对应线路。通过将所述次级绕组直接连接至所述工字梁的中心，还实现了连接表面的显著增加，因而能够再次降低接触损失和线路损失。
[0018]在具有工字梁的所述大电流变压器的上述构造中，所述大电流变压器的至少一个初级绕组被布置成延伸穿过所述至少一个环状芯体，特别是在所述工字梁的凹部中对称地布置在两侧的所述环状芯体。通过使用这样布置的初级绕组，能够实现与所述次级绕组的最佳磁性耦合。
[0019]如以上已经提到的，所述次级绕组通过所述大电流变压器的所述工字梁彼此电连接。每个次级绕组的相应其他接线通过同步整流器和启动电路与每个均由导电材料制成的接触板优选直接连接，所述接触板位于所述工字梁的凹部和布置在其中的所述次级绕组的上方，其中这些接触板的外表面形成了所述电源的两个附加触头。
[0020]根据本发明的另一个特征，所述大电流变压器的所述至少一个初级绕组的接线被引导通过所述工字梁的外表面上的至少一个开口。所述大电流变压器的所述初级绕组的接线可以从此处连接至对应的电源或供电单元。
[0021]所述大电流变压器的一个有利实施方式还由如下构造产生，其中一个具有中央抽头的次级绕组均由围绕环状芯体的横截面并穿过所述环状芯体的具有基本S形镜像倒置曲线的由导电材料制成的彼此绝缘的两个金属片材形成，其中所述金属片材的外表面形成了用于与所述同步整流器的电路元件或所述工字梁并因而与电阻焊接装置的电极连接的触头。这实现了一个极其节省空间的紧凑构造。同时，非常大的接触表面可用于将次级绕组与所述工字梁的中央或中央腹板和同步整流器的电路元件连接，从而以尽可能小的损失确保大电流。
[0022]用以形成所述大电流变压器的所述次级绕组的金属片材通过绝缘层(例如纸层)而彼此绝缘。因此，可以将两个次级绕组布置在一个环状芯体上并因而可以显著地降低总体尺寸、重量和损失。通过这种布置，在所述次级侧上实现中央整流器，其中所述工字梁利用所述次级绕组的一个连接端(特别是焊接端)形成了该中央整流器。
[0023]所述大电流变压器的所述工字梁和所述接触板优选形成立方体或方石形状的单元，其中在所述工字梁和所述接触板之间布置电绝缘。所述工字梁的两个外表面代表两个第一触头，而所述接触板的两个外表面代表所述电源的与所述两个第一触头偏移90°的两个附加触头。如果将用于提供直流电源的电源的其他组成部件，诸如同步整流器、启动电路、用于同步整流器和启动电路的供电电路集成在该立方体或方石形状的单元中，则形成了自主单元，仅必须将该自主单元的输入侧与供电单元连接，并且仅必须将该自主单元的输出侧与相应的消费负载连接。电源的各个电路之间的通常线路可以被省略或可以至少基本上降低它们的长度。
[0024]如果将覆盖板布置在所述工字梁的前表面处，可以以立方体或方石形状形成所述大电流变压器的更坚固单元。
[0025]如果所述覆盖板也由导电材料形成，并且适合于被拧在所述接触板上，则可以实现所述接触板的电连接。因而，可以省略将两个接触板彼此电连接的单独电线路，以建立电压或电位平衡，并因而避免两个接触板的不平衡。所述覆盖板因而建立用于提供直流电流的所述大电流变压器或电源的对称布置的两个接触板的电连接。
[0026]所述覆盖板与所述大电流变压器的所述工字梁电绝缘。
[0027]所述工字梁和/或所述接触板和/或所述覆盖板和/或用于形成所述大电流变压器的所述次级绕组的所述金属片材优选由优选具有银涂层的的铜或铜合金形成。铜或铜合金具有最佳的电特性并表现出良好的导热性，由此能够更快地排出所发生的热损失。银涂层防止铜或铜合金氧化。代替铜或铜合金，也可以考虑铝或铝合金，相比于铜，铝具有重量优势，不过抗腐蚀性不太高。代替银涂层，锡和其他材料或化合物的涂层或它们的层也是可行的。
[0028]在所述工字梁的外表面上和在所述接触板的外表面上，可以布置连接装置，优选具有螺纹以收纳螺钉的钻孔。通过这些连接装置，电源与消费负载的组成部件例如电阻焊接装置的焊枪的机械连接和电连接都可以建立。此外，各种其他元件也可以通过这种连接装置附接至工字梁或接触板的外表面。
[0029]根据本发明的另一个特征，在所述工字梁的每侧的第一次级绕组处，均布置有用于测量流过该次级绕组的电流的电流换能器，所述电流换能器与启动电路连接。所述电流换能器测量所述次级侧电流，由于该次级侧电流，同步整流器的电路元件被启动以使传导损失和切换损失最小。在以包括所述大电流变压器的工字梁作为大电流变压器的基础的所述大电流变压器或电源的对称布置的情况下，次级绕组布置在所述工字梁的两侧上，并且所述电