专利名称：用于直流焊机的输出扼流圈及其使用方法
技术领域：
本发明涉及直流电弧焊机的输出扼流圈和使用这种扼流圈控制直流电焊机输出电路中的电感的方法。
在直流电弧焊机中，输出电路通常包括一个电容器，这个电容器以相当小的电感并联在电极和工件之间，以便在整流器或电源提供直流电流时给电容器充电。这个电感可消除焊接电流中的纹波。提供一个大型的扼流圈，它与焊机的电弧间隙串联，能够处理超过大约50安培的大电流，可用来控制稳定电弧的电流流动。当电极向工件的送丝速度以及电弧的长度发生改变时，焊接电流就要变化。在过去，与电弧串联的大的输出扼流圈在铁心有一个固定的间隙，以便当电流变化时控制电感为一个固定值。但当扼流圈经受大的焊接电流时，铁心发生饱和，并且电感急剧下降。出于这种理由，铁心中间隙的宽度要加大，以便在焊机的工作电流范围可提供恒定的电感。要针对特定的工作电流范围来选择扼流圈。但对于不同的焊接工作原理，这个范围是会变化的。因此，要针对大多数焊接原理来选择扼流圈的空气间隙。在一个标准的扼流圈内，一个小的空气间隙可提供大的电感，但在相当小的电流下就会饱和。为了提高扼流圈的电流容量，空气间隙要加大，以减小特定大小的扼流圈的电感量。出于这样一些理由，把扼流圈作得相当大，用粗线来携带焊接电流，并且用大截面的铁心来防止饱和。间隙很大以容纳大范围的焊接电流。这样一种扼流圈是昂贵的，并且极大地增加了焊机的重量。此外，即使用一个反比于焊机电流的电感实现一次理想的电弧焊接，扼流圈在饱和点或拐点之前一直产生一个恒定的电感。为了解决这些问题，已有人建议空气间隙可包括两个或三个不同的宽度。这个建议在小的空气间隙饱和之前产生了一个大的电感。在此之后，在较大的空气间隙饱和之前产生一个较小的电感。通过使用这种有两个或可能是三个台阶式的间隙的概念，可减小扼流圈的尺寸，并可增加由扼流圈控制的电流的范围。进而，电流和电感的相互关系是相互反向的。在输出扼流圈的铁心使用台阶式空气间隙的思路允许使用较小的扼流圈；然而，存在一个或多个偏折点。当电极的送丝速度或电弧的长度改变以便在偏折点区工作时，电机可能在饱和点或偏折点周围振荡，引起不稳定操作。标准绕组式扼流圈不能解决问题，这是因为焊接电流太大以致于不能在饱和偏折点处工作的缘故。此外，这样一种绕组式扼流圈可用于小电流场合。
现在的标准作法是对于直流电弧焊机使用固定式的输出扼流圈。这种扼流圈很大，工作点在电感的线性部分，以防止焊机的输出电感急剧减小。这种扼流圈很昂贵并且很重。通过作成台阶式空气间隙，可使扼流圈的尺寸减小，电流的工作范围加大；然而，在一个间隙的饱和处有转折点，使焊机不那么结实，并且在某些电弧长度和送丝速度容易振荡。因此。这种建议的改进没有获得商业成功。
本发明涉及一种直流电弧焊机的输出扼流圈，它解决了具有固定的空气间隙的大型扼流圈和具有台阶式空气间隙的小型扼流圈在重量、成本、和焊接不一致方面存在的问题。按照本发明，该用于直流电弧焊机的输出扼流圈包括一个高导磁率的铁心，它的一个区的横截面形状具有两个分开的边缘和一个空气间隙，所说的空气间隙具有至少对于两个边缘之间的距离的一部分来说逐渐收缩的宽度。因此，空气间隙从边缘开始逐渐增加。在优选实施例中，空气间隙是金刚石形状，从边缘开始向铁心的中心部分逐渐增加。有关直流电弧焊机的输出扼流圈的这个金刚石形状的铁心的技术在输出电路中产生的电感在电流的范围内和焊接电流成反比地逐渐变化。当焊接电流增加时，电感连续地减小，没有断点或阶跃。因此，焊接电流决不会处在输出扼流圈的饱和点，或者说决不会工作在饱和拐点。焊接的电源也不会振荡。本发明产生的焊机很结实牢固，可应付各种变化，弧长变化最大可达5-10伏都不会引起弧的不稳定。因此，该扼流圈可在一个很大的焊接电流范围内进行电流控制，没有振荡，不需要大的输出扼流圈。
按本发明的另一方面，该输出扼流圈包括一个高导磁率的铁心，并具有由第一和第二磁极片确定的一个空气间隙，第一和第二磁极片终止在相互面对的第一和第二表面。每个表面都有两个分开的边缘和一个中间区，所说的表面从所说的的中间区开始向每个所说的表面的相应边缘收缩以便为所说的空气间隙产生一个特定的横截面形状。这个横截面形状最好为金刚石形状的；但它也可以是椭圆或其它曲线形状，只要随焊接电流的变化存在电感的逐渐变化就成。在优选的金刚石形状的空气间隙中，中间区处在磁极片的中心；但这个中间区还可靠近面对的表面的一个边缘。这就给出一个非等边的金刚石形状。按照本发明的另一方面，间隙的形状可以是从相对的表面的一个边缘向相对的表面的另一个边缘收缩。这就给出了一个三角形形状的空气间隙。所有的这些结构形状都可产生电感随焊机输出电流逐渐变化的扼流圈，其中在引起偏折点的相邻区域之间不会引起饱和，这里所说的偏折点在某些送丝速度和弧长可引起焊机摆动或振动。
按本发明的另一方面，提供一种控制直流电弧焊机输出电路中的电感的方法，所说的焊机在一指定的电流范围内工作以便通过传送焊接电流在电极和工件之间的间隙内进行焊接。所说的方法包括提供一个在所说的电流范围内有大体上不变的电感的电感器，以便给和所说的间隙或弧并联的电容器充电；提供一个输出扼流圈，它的电感在所说的电流范围内逐渐地改变；和，与所说的间隙或弧串联地并且在所说的间隙和所说的电容器之间连接所说的扼流圈。按此方法，电感按大体上反比于焊接电流的一条直线变化，所以当电流增加时，电感沿大体上的一条直线逐渐减小。这是用于电弧焊接的一种最佳的关系。大体上的直线包括略微有点下凹或上凸的直线关系，只要沿由台阶式空气间隙引起的曲线没有偏折点就成。
本发明涉及的是需要相当大的输出扼流圈的一种电弧焊机。这一领域和用于诸如光、声、或视频设备之类的低功率仪器的电源有明显的区别。这样一些微型电源没有电弧焊接所需的大电流和大电流范围。电弧焊机涉及的电流超过50安培。的确，本发明的扼流圈是可以处理100-500安培的电流同时又可维持铁心不饱和的扼流圈。本发明可处理至少约100安培的电流。这样就可以把本发明的输出扼流圈同用于电源中的其它电感器清楚地区别开来。
本发明涉及电弧焊接领域，在此领域中的最佳操作涉及电感和焊接电流之间的反比关系。小型电感器通常用在电流和电感之间的最佳操作特性是线性的场合。为了按电流和电感之间的反比关系进行操作，所以这样一些小型电感器要在饱和曲线的拐点工作。这就提供了一个对于小电流来说是最大值的电感，并且当电流增加时这个电感摆动到一个低值。这样的电感器称之为“摆动反应器“；然而，这些小电感器在位于磁饱和曲线的拐点的一个相当小的电流范围工作，并且通常要确定它们的大小以便能处理小于10安培的小电流。这样一个小型的摆动反应器对于直流电弧焊机的输出扼流圈显然是不能使用的，这是因为电流的范围十分大，焊接电流极大，超过约50安培。
本发明的主要目的是提供一种用于直流电弧焊机的输出扼流圈，该扼流圈具有在一个大的电流范围内逐渐变化的电感，并且该扼流圈能够处理大于约50安培并且通常范围为100-500安培的电流。
本发明的另一个目的是提供一种如以上所述的用于直流电弧焊机的输出扼流圈，该扼流圈当送丝速度变化时或者当弧长变化时，不产生任何偏折点，不引起电源振荡。
本发明的第三个目的是提供一种如以上所述的用于直流电弧焊机的输出扼流圈，该扼流圈没有任何非线性区，并且可在一个很大的焊接电流范围操作而不会饱和。
本发明的第四个目的是提供一种用于直流电弧焊机的输出扼流圈，该扼流圈在一个很宽的焊接电流范围内存在电流和电感之间的大体上直线的相互关系，并且提供一种使用这种扼流圈控制直流电弧焊机的输出扼流圈中的电感的方法。
本发明的第五个目的是提供一种如以上所述的用于直流电弧焊机的输出扼流圈和使用该扼流圈的方法，其中考虑到低送丝速度情况下的大电感和高送丝速度情况下的小电感，对于该扼流圈不用从一个饱和曲线过渡到另一个饱和曲线。
本发明的第六个目的是提供一种用于直流电弧焊机的输出扼流圈，它具有一个金刚石形状的空气间隙，以控制电流和电感之间的相互关系。
从以下结合附图的描述中，本发明的这些目的和其它一些目的以及优点都将变得显而易见。
图1是具有使用本发明的输出电路的一个直流电弧焊机的示意接线图；图2是示意地表示用于直流电弧焊机的一个标准的现有技术输出扼流圈的示意图；图3是表示图2示意表示的现有技术扼流圈中使用的各种空气间隙的饱和曲线的电流-电感的曲线图；图4是示意表示已建议的用于解决图2示意表示的现有技术扼流圈的问题的直流电弧焊机的输出扼流圈的示意图；图5是表示图4示意表示的扼流圈的饱和曲线的电流-电感曲线；图6是按照本发明的一个优选实施例构成的直流电弧焊机的输出扼流圈的示意图；图7是按图6所示的本发明的优选实施例的电流-电感曲线；图8、9、10是使用本发明的优选实施例的形状的铁心和空气间隙的部分视图；图11是表示如图8-10所示的本发明的实施例的工作曲线的和图7类似的电流-电感曲线；图12和13是表示空气间隙的扼流圈铁心部分视图，空气间隙的形状是对图8-10所示的本发明的优选实施例的改进；和图14是按照本发明构成的一个电极的铁心的部分视图，其中通过相互接触并固定的两个铁心件获得优选的金刚石形状的空气间隙。
现在参照附图，其中所表示的只是为了说明本发明的优选实施例，而不是为了限制本发明，图1表示一个能产生至少约50安培并且最大为200-1000安培的焊接电流的直流电弧焊机。表示成为单相线电压的电源12经变压器14引到整流器16。当然，整流器还可由一个三相电源驱动来产生直流电压。按照标准的作法，通过约20毫亨的电感器22给约20K-150K微法的电容器20充电。整流器16通过电感器22给电容器20充电，这个电感器也可以由变压器的电感代替。整流器16在端点24、26的输出电压是电容器20两端的电压，电容器20维持着在来自于送丝机构32的电极30和工件34之间的电弧间隙a两端的电压。为了维持弧a两端的电流的平稳流动，在电容器20和间隙或弧a之间的输出电路中要提供一个相当大的输出扼流圈50。本发明涉及的是电流控制输出扼流圈50的结构和操作，如图6清晰可见。在过去，输出扼流圈是如图2示意图所示的大型扼流圈，其中的扼流圈100有一个高可靠性铁心102，在两个相对的表面104、106之间确定了一个空气绝缘。大电流要求绕组110的导线粗。为了得到大电感，圈数要多。为了防止饱和，铁心102的横截面要大。因此扼流圈100大、重、昂贵。通过改变表面104、106之间的宽度，按照图3中的曲线所表示的饱和曲线，绕组110中的大焊接电流使铁心102变为饱和。当空气间隙g对于一个给定的扼流圈来说是相当小的时候，产生一个大电感；但在小焊接电流的情况下将使铁心饱和。饱和曲线120表示出这种情况。当间隙g的宽度增加时，电感减小，饱和电流增加。由饱和曲线122、124、126表示出间大小增加的这种关系。每个饱和曲线都分别有饱和拐点120a、122a、124a、126a。在以一个固定的空气间隙操作如图2所示的电弧焊机时，必须选择饱和曲线来适应期望的焊接电流。为了产生大电感和大电流范围，必须加大绕组110，并且2必须加大铁心的尺寸。这就急剧地增加了扼流圈的尺寸和重量。通过减小扼流圈的重量和尺寸，该饱和曲线有一个减小和饱和电流，这将引起直流焊机的异常操作。为了校正和具有用于控制直流电弧焊机的输出电路中的电流的固定间隙的输出扼流圈有关的问题，有人已经建议使用如图4示意图所示的扼流圈。扼流圈200包括一个高导磁率铁心202，它有一个空气间隙210。在此扼流圈中，空气间隙是台阶形状的，具有大间隙212和小间隙214，它们是通过增加一个小的磁极片216产生的。当有大于100-500安培的电流通过绕组时，电感遵循如图5所示的有两个部分的饱和曲线。这个非线性曲线包括两个部分，在间隙214饱和之前使用第一部分230，在较大的间隙212饱和之前使用第二部分232。这两个部分产生了由虚线240表示的有效电流-电感关系。在电弧焊接中，这一成反比的电流-电感关系是极其有益的。这个有两个部分的曲线适应小电流操作和大电流操作这两种情况。但存在一个陡峭的饱和拐点232a，它引起一个偏折点242。当电弧焊机沿线240操作时，在送丝速度改变或者弧长或弧电压改变时，偏折点242引起振荡。因此，在偏折点242的区域内，存在不规则的摆动动作，这将减小如图4示意图所示的所建议的台阶式空气间隙处理方法的效果。
图1中的扼流圈50用图6-8所示的本发明的优选实施例的扼流圈替代。高导磁率材料的铁心52有一个足够大的横截面积，因此可防止在大于50安培并且最好在超过100-500安培的情况下发生饱和。铁心52的相对的表面54、56在分开的边缘54a、54b和56a、56b之间。相应的横向分开的边缘相互面对，并且提供一个相当小的间隙(如果有间隙的话)。在表面54、56之间的中心区58构成了一个大空气间隙。这个金刚石形状的空气间隙在表面54、56的分开的边缘之间，并且由表面54的部分54c、54d和表面56的部分56c、56d确定。这些部分从位于金刚石形状的空气间隙的顶点54e和顶点56e的最大空气间隙开始分散开，随后又聚拢在一起。绕组60的尺寸可携带焊接电流，绕组60的匝数可获得期望的电感，它在铁心52的周围传导焊接电流。通过使用如图6所示的金刚石形状的空气间隙，并且利用选定的铁心尺寸和绕组匝数，可得到图7中的电流-电感曲线70。曲线70代表电弧焊接的理想电流-电感相互关系，其中的电流从20安培开始增加到超过约200安培的高水平，并且经常为500-1000安培。如图8所示，位于边缘54a、56a和54b、56b的小空气间隙在小电流时趋于饱和。随着电流的增加，在扼流圈50中的金刚石形状的空气间隙不可能饱和。在大电流时，扼流圈试图使极大的空气间隙饱和。如图8中的箭头所示的，，由通过金刚石形状的空气间隙的通量产生的铁心饱和情况是，在位置a使较小的间隙饱和，但还没有从点b、c、d向上发展。对金刚石形状的空气间隙的顶点进行选择，以防止甚致于在最大的焊接电流下发生饱和。于是，在电流和电感之间存在直线关系，通过使用金刚石形状的空气间隙可知这种关系是平缓的和连续的。
在图9和10中说明使用金刚石形状的空气间隙的另外两个优选实施例。在图9中，铁心52的磁极片300、302的相对表面304、306是弧形形状，以产生一个卵形的或椭圆形的空气间隙。这个空气间隙包括小空气间隙310、312和大空气间隙314。本发明的这个优选实施例给出了一个略微下凹的直线曲线72，如图11示意图所示。在图10中概括给出的本发明的优选实施例产生了大体上是直线的但略微上凸的曲线74，其中的铁心52包括磁极片320、322，它们分别具有相对的表面324、326。这些表面都是弯曲的，具有小空气间隙330、332，它们由在中心部分334的一个大空气间隙分开。如图所示，本发明的这个优选实施例从铁心的中心开始向铁心的外部边缘平缓逐渐地改变空气间隙的宽度。优选实施例中的最佳应用是如图6和8清晰可见的金刚石形状的空气间隙。图9的椭圆形空气间隙和图10的曲线形的空气间隙也可提供相当平直的成反比的曲线，该曲线表示的是由如图1所示的直流电弧焊机中使用的扼流圈50控制的大电流下的电流和电感之间的相互关系。
在上述优选实施例中，空气间隙逐渐收缩，并且相对于铁心对称。还可能提供如图12和13所示的非对称的空气间隙结构。在图12中，扼流圈50的铁心52a包括磁极片350、352，其相对表面具有收缩部分360、362和364、366。这些部分确定了一个大空气间隙区338，这个大空气间隙区338距铁心中心稍偏一点。在图13中表示另一个非对称的空气间隙结构，其中的铁心52b包括磁极片370、372，它们具有一个倾斜的表面374和一个平直的表面376。图13中所示的空气间隙也是通过形成磁极片370得到的，磁极片370有一个平的垂直表面，但该表面相对于磁极片372是倾斜的。这些结构产生的空气间隙的小间隙部分在左边，大间隙部分在右边。这两个非对称的空气间隙所得的结果好于图4所示的台阶式空气间隙210的结果；但它们没有获得如图8-10优选实施例所示的由对称空气间隙实现的如图11所示的期望的效果。
在实践中，扼流圈50具有如图14所示的铁心。一个金刚石形状的对称空气间隙400设在磁极片402、404之间，它们的对接边缘部分406、408相互接触以确定一个位于它们中间的空气间隙400，其中的小间隙部分412、410逐渐增大到大间隙部分414。磁极片402、404通过一个夹板使用适当的栓钉结合在一起。空气间隙400是金刚石形状的空气间隙，这个空气间隙在顶点或中心点是大的，然后向铁心的边缘逐渐变小。金刚石形状的空气间隙在电流和电感之间给出大体上为直线的成反比的相互关系，这种关系对于电弧焊接是最佳的。当在现场使用包装扼流圈时，要用低导磁率封装材料填充空气间隙400。
权利要求
1.一种用于直流电弧焊机的输出扼流圈，它包括一个高导磁率的铁心，并具有由第一和第二磁极片确定的一个控制电感的空气间隙，第一和第二磁极片终止在相互面对的第一和第二表面，每个磁极片都有两个分开的边缘和一个中间区，所说的表面从所说的的中间区开始向每个所说的边缘收缩以便为所说的间隙产生一个特定的横截面形状。
2.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是对称的。
3.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是金刚石形状。
4.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是椭圆形。
5.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是曲线形。
6.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的中间区对于所说的边缘之一是封闭的。
7.权利要求6的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是金刚石形状。
8.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的第一表面的所说的边缘接触所说的第二表面的边缘。
9.权利要求8的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是金刚石形状。
10.权利要求9的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是椭圆形。
11.权利要求8的输出扼流圈，其特征在于所说的横截面形状是曲线形。
12.权利要求8的输出扼流圈，其特征在于所说的中间区对于所说的边缘之一是封闭的。
13.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的间隙充有低导磁率材料。
14.权利要求1的输出扼流圈，其特征在于所说的扼流圈包括一个传导焊接电流的绕组，其中要确定所说的绕组和铁心的大小，以防止在焊接电流至少约为100安培的情况下发生饱和。
15.一种控制直流电弧焊机输出电路中的电感的方法，所说的焊机在一指定的电流范围内工作以便通过在电极和工件之间的间隙内传送焊接电流进行焊接，所说的方法包括提供一个在所说的电流范围内有大体上不变的电感的电感器，以便给和所说的间隙并联的电容器充电；提供一个扼流圈，它的电感在所说的电流范围内逐渐地改变；和，与所说的间隙串联地并且在所说的间隙和所说的电容器之间连接所说的扼流圈。
16.权利要求15的方法，其特征在于所说的电感按反比于所说的焊接电流的一个大致直线变化。
17.权利要求15的方法，其特征在于所说的扼流圈包括一个绕组，并且包括如下步骤引导至少50安培的焊接电流穿过所说的绕组并且穿过所说的间隙。
18.一种用于直流电弧焊机的输出扼流圈，包括一个高导磁率铁心，它的一个区域的横截面形状有两个分开的边缘，并且在所说的区域内有一个空气间隙，所说的空气间隙至少对于一部分所说的边缘之间的距离有一个逐渐改变的宽度。
19.权利要求18的输出扼流圈，其特征在于所说的空气间隙在所说的分开的边缘之间有大体上金刚石形状的横截面。
20.权利要求19的输出扼流圈，其特征在于所说的扼流圈包括一个传导焊接电流的绕组，确定所说的绕组和铁心的大小，以防止在至少约100安培的焊接电流下发生饱和。
21.权利要求20的输出扼流圈，其特征在于所说的扼流圈包括一个传导焊接电流的绕组，确定所说的绕组和铁心的大小，以防止在至少约100安培的焊接电流下发生饱和。
全文摘要
一种用于直流电弧焊机的输出扼流圈,它包括一个高导磁率的铁心,并具有由第一和第二磁极片确定的一个控制电感的空气间隙,第一和第二磁极片终止在相互面对的第一和第二表面,每个磁极片都有两个分开的边缘和一个中间区,所说的表面从所说的中间区开始向每个所说的边缘收缩以便为所说的间隙产生一个特定的横截面形状,其中所说的扼流圈足够大,可携带至少约100安培的焊接电流。
文档编号H01F3/14GK1253056SQ9912365
公开日2000年5月17日 申请日期1999年11月2日 优先权日1998年11月2日
发明者凯斯·莱昂·克拉克, 布莱恩·凯斯·豪索尔 申请人:林肯环球有限公司