包括布置在焊槍上的電源的電阻焊裝置製造方法

2023-05-16 22:01:26 1

包括布置在焊槍上的電源的電阻焊裝置製造方法
【專利摘要】本申請涉及一種電阻焊裝置(1)，包括為了給焊接工件提供焊接電流的電源(10)和具有兩個槍臂(5)的焊槍(4)，每個槍臂(5)包括一個電極(7)，用於將焊接電流壓入到工件中，其中，電源(10)包括大電流變壓器、同步整流器和電路，大電流變壓器具有至少一個一級繞組和具有中心抽頭的至少一個二級繞組，同步整流器與大電流變壓器的所述至少一個二級繞組連接並包括電路元件，電路用於觸發同步整流器的電路元件(24)。為了減少損耗和提高效率，電源(10)布置在焊槍(4)上，並包括至少4個觸點(20,21,22,23)而形成多點接觸件，其中，一種極性的兩個第一觸點(20,21)連接到一個槍臂(5)，而相反極性的另外兩個觸點(22,23)連接到另一個槍臂(5)。
【專利說明】包括布置在焊槍上的電源的電阻焊裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電阻焊裝置，其包括:為了提供用於焊接工件的焊接電流的電源，其中，電源包括大電流變壓器，其具有至少一個一級繞組和具有中心抽頭的至少一個二級繞組；焊槍，其有兩個槍臂，每個槍臂包括一個為了將焊接電流傳送進工件中的電極；同步整流器，其與大電流變壓器的至少一個二級繞組相連，並具有電路元件；和用於致動同步整流器的電路元件的電路。
[0002]本發明涉及電阻焊裝置，尤其是點焊裝置，其中產生了大概kA量級的特別大的直流電流。採用這種大直流電流的其他裝置也包括在本專利申請的主題中。這種裝置的例子是電池充電器、粒子加速器、電鍍設備等。例如，W02007/041729A1描述了一種電池充電器和一種用於產生相應大直流電流的電流變壓器。
【背景技術】
[0003]在電阻焊裝置中，所需的大直流電流是用適當的大電流變壓器和整流器提供的。由於大電流的發生，二極體整流器是有缺點的，因為較高損耗，並因此主要採用了包括由相應電晶體形成的控制元件的有源整流器。然而，帶有例如同步整流器等有源整流器的電阻焊裝置也有較高損耗，於是有較低效率。由於按照例如大電流變壓器和整流器通常的分開設計，在現有技術中導致非常大的導線長度以及因此產生的功率損耗，所以，由於大電流造成了非常差的效率。
[0004]例如，DE102007042771B3描述了一種使用同步整流器操作電阻焊裝置的電源的方法，通過這種方法能減小功率耗散並能提高效率。
[0005]在汽車工業的生產線中，使用多個點焊裝置(常常有約100?1000臺單個單元)來製備待製造的機動車車身和底盤上的各種連接件。因為單個的點焊裝置已經由於大電流變壓器和電源線和電流元件產生了高損耗，在這種生產線中發生的總損耗達到極高大小的範圍，例如在IMW到50MW之間。因為損耗主要以熱損耗的形式反映，所以，必須再次採取措施來耗散熱量，使得整體能量平衡甚至變得進一步惡化。
[0006]另一個缺點來自下面的事實:因為這種設施的高消耗，所以需要非常高連接功率的電網，造成製造、運營和操作這種設施時的非常高的開銷。
[0007]為了產生20kA焊接電流的單次點焊，從現在的觀點看，根據現有技術需要例如高達150kW的連接功率電網，其中，使用所述焊接電流，產生了高達135kW的損耗，達到了只有約10%的非常差的效率。

【發明內容】

[0008]於是，本發明的目的是形成一種電阻焊裝置，通過這種電阻焊裝置能夠減少損耗並能改善能量平衡和效率。已知裝置的缺點應該被減少或避免。
[0009]根據本發明上述目的是通過上述的電阻焊裝置實現的，其中，用於提供焊接工件用的焊接電流的電源被布置在焊槍上，並且電源包括至少四個觸點以形成多點接觸，尤其是四點接觸，其中，一種極性的兩個第一觸點連接到一個槍臂，相反極性的另外兩個觸點連接到另一個槍臂。由於這種多點接觸，將大電流變壓器的二級側或者同步變壓器的輸出連接到槍臂或電阻焊裝置的電極所通常需要的導線，可被取消或其長度能減小，於是歐姆損耗以及接觸損耗能顯著減小。於是，優選地，可以採用優選地具有大橫截面的短導線，同時保持了焊槍的靈活性。進一步的優點在於，由於這種接觸，損耗(特別是接觸歐姆損耗)被減小了。由於至少四個觸點(每個極性兩個觸點，這意味著兩個觸點用於正電極，兩個觸點用於負電極)，待傳輸的直流電流能被減半，由此也造成了接觸損耗的減小。這也實現了有效接觸面積能大量增加，而這又減小了接觸電阻。利用根據本發明的電阻焊裝置，實現了用於產生例如20kA焊接電流的連接功率能夠被減小到只有75kW(與用相當的現有技術裝置時的150kW相比)，其中，60kW的損耗發生。因此，與現有技術相比，能夠實現大約2倍高的效率，達到約20%及更高。
[0010]當至少兩個觸點接觸而沒有導線並因此沒有對於槍臂的接觸電阻時，產生了特別的優點。這點可以實現，因為這兩個觸點實際上集成在電源中並直接連接於電阻焊裝置的相應部分，特別是槍臂，即沒有布設導線。因此，通過將槍臂直接連接到大電流變壓器的觸點，實現了無導線連接，而第二槍臂必須用非常短的導線連接到另外的觸點。這樣，能夠實現導線損耗的大量減少，因為導線長度被減小到最小。在現有技術中，大電流變壓器在理想情形下被定位為儘可能接近焊槍，使得接下來導線必須從大電流變壓器布設到焊槍，而在根據本發明的方案中，大電流變壓器被集成在焊槍中，而一個槍臂被直接安裝在大電流變壓器上，使得只有第二個槍臂必須通過一個導線或兩個短導線進行連接。當然，也可以使用例如滑動觸點或其他連接元件來替代導線。
[0011]根據本發明的進一步特徵，規定了一個極性的兩個第一觸點與相反極性的另外兩個觸點均彼此相對地布置，其中，與兩個第一觸點相比，所述另外兩個觸點基本上相互偏離90°布置。觸點在電源上的這種幾何布置使得能夠完全避免導線或者減小導線長度，並因此明顯地減少歐姆損耗以及接觸損耗。因此，能夠提供儘可能大的接觸面。例如，在確定大電流變壓器或電源的尺寸以便提供20kA直流電流時，四個觸點中每個觸點的面積從15cmX 15cm 到 25cmX 25cm,優選地為 20cmX 20cm。
[0012]通過將同步整流器和電源的致動電路集成在大電流變壓器中，並通過並聯連接同步整流器的數個電路元件，以及通過不用導線將同步整流器的數個電路元件連接到大電流變壓器的至少一個二級繞組，能夠實現損耗的進一步減少。由於這種結構，在同步整流器和大電流變壓器的二級側之間不需要導線，由此，由於使用這種導線引起的可能歐姆損耗和其他損耗也排除了。用於同步整流器和致動電路的可能供電電路優選地也集成在大電流變壓器中。優選地，為了給大電流變壓器供電的功率單元儘可能地靠近大電流變壓器定位，以實現連接導線並因此導線損耗和導線電感儘可能少。
[0013]有利地，同步整流器的電路元件由場效應電晶體形成，其漏極由其殼體形成。殼體不用導線連接到大電流變壓器的至少一個二級繞組。這種布置因此提供了:大電流變壓器的二級繞組直接接觸場效應電晶體的殼體，使得這些單元之間不需要導線。
[0014]為了實現大電流變壓器用於產生大二級側電流所需的傳輸比，根據本發明的進一步特徵，大電流變壓器包括多個(優選地至少10個)串聯連接的一級繞組，以及多個(優選地10個)並聯連接的具有中心抽頭的二級繞組。一級電流流過串聯連接的大電流變壓器一級繞組，而較大的二級側電流在多個(優選地至少10個)並聯連接的二級繞組之間分配。二級側的部分電流被供給同步整流器的相應電路元件。通過使用這種分配，得到了相應高的傳輸比，儘管一級和二級匝數低。通過使用所述構造，在一級側，與傳統大電流變壓器相比，所需的匝數低，由此能減小一級繞組的長度，並由此能減小歐姆損耗。因為一級繞組匝數減少，並因此導致導線長度減小，所以，對於這種系統而言典型的大電流變壓器漏電感也減少了，由此，大電流變壓器能在更高的開關頻率下操作，例如10kHZ。進而，更高的開關頻率引起大電流變壓器整體大小和重量的減少，並因此可以選擇有利的安裝。於是，大電流變壓器能儘可能靠近電阻焊裝置的電極定位。因此，由於大電流變壓器的重量低，甚至機器人負載能被減少，使得小型的、更便宜的機器人就足夠了。
[0015]大電流變壓器的傳輸比為10到1000，優選地至少為100，以確保產生大的二級側電流。
[0016]能夠實現電阻焊裝置的一個特別有利的構造，因為大電流變壓器包括工字形導電材料，在該工字形導電材料的凹部布置至少一個相應的環形芯，其中，每個二級繞組的一個相應連接件直接與工字梁的內表面接觸，而且，工字梁的外表面形成電源的兩個第一觸點。工字梁因此形成了大電流變壓器的基礎，二級繞組圍繞該基礎布置，這樣，不再需要連接導線。工字梁的外表面代表電源的兩個第一觸點，這兩個第一觸點直接連接到電阻焊裝置的槍臂，即沒有導線。實現了節省空間的布置，因為環形芯不是設計為圓形的而是橢圓形的。優選地，採用閉合環形芯。通過使用所述設計，一級繞組和二級繞組的串/並聯得以實現，通過該串/並聯，實現了用減少匝數的一級繞組和二級繞組提供大直流電流所需的大電流變壓器傳輸比。這種設計當在工字梁的每一側布置至少三個並聯連接的二級繞組時尤其有用。
[0017]有利的是，大電流變壓器的所述至少一個二級繞組的中心抽頭不用導線連接到工字梁。因此，單個部件之間的相應導線可以省略。通過將二級繞組直接連接到工字梁的中心，還實現了連接表面的大量增加，並因此再次減少了接觸損耗和導線損耗。
[0018]在上述的帶工字梁的大電流變壓器構造中，大電流變壓器的所述至少一個一級繞組布置為延伸經過所述至少一個環形芯，特別是對稱布置在工字梁凹部兩側上的環形芯。通過使用這種布置的一級繞組，能夠實現最佳磁耦合於二級繞組。
[0019]如上面已經提過的，二級繞組通過大電流變壓器的工字梁相互電連接。各二級繞組的相應其他連接件經過同步整流器和致動電路優選地與每一個都由導電材料形成的接觸板直接連接，所述這些接觸板位於工字梁凹部以及布置在凹部中的二級繞組的上方，其中，這些接觸板的外表面形成電源的兩個另外的觸點。
[0020]大電流變壓器的所述至少一個一級繞組的連接件，根據本發明的進一步特徵，被引導經過工字梁外表面的至少一個開口。從那裡，大電流變壓器一級繞組的連接件可連接到相應電源或功率單元。
[0021]電阻焊裝置的一個有利實施例還來自於:大電流變壓器的具有中心抽頭的二級繞組每一個都由兩個金屬片形成，這兩個金屬片彼此絕緣，由導電材料形成，並且具有圍繞著環形芯的橫截面和穿過環形芯的基本上S形的鏡像顛倒的路徑，其中，金屬片的外部表面形成用於與同步整流器的電路元件或電極連接的觸點。這樣實現了極其節省空間並且緊湊的構造。同時，對於二級繞組與工字梁的中心或中心腹板以及同步整流器電路元件的連接，可以得到非常大的接觸面，以此確保大電流流過，而損耗儘可能小。
[0022]用於形成大電流變壓器的二級繞組的金屬片通過例如紙層等絕緣層相互絕緣。因此，可以在一個環形芯上布置兩個二級繞組，並因此能夠顯著減小整體尺寸、重量和損耗。通過這種布置，中心整流器實現在二級側，其中，工字梁形成具有二級繞組的一個連接(特別是釺焊)端的中心。
[0023]大電流變壓器的工字梁和接觸板優選地形成方盒或方石堆形單元，其中，電絕緣布置在工字梁和接觸板之間。工字梁的兩個外表面代表兩個第一觸點，接觸板的兩個外表面代表電源的與兩個第一觸點偏離90°的兩個另外觸點。如果電源的用於提供焊接電流的所有進一步的部件(諸如同步整流器、致動電路、用於同步整流器和致動電路的供電電路)被集成進這個方盒或方石堆形單元中，則形成了自動單元，其輸入側僅僅要與功率單元相連，其輸出側僅僅要與電阻焊裝置的槍臂或電極相連。電源的單個電路之間的通常的導線可被省略或至少其長度可被大大減小。
[0024]如果在工字梁的前面布置蓋板，則可以形成方盒或方石堆形大電流變壓器的堅固單元。
[0025]如果蓋板也由導電材料形成並適合於螺紋連接到接觸板，則可以實現接觸板的電連接。因此，可以省略將兩個接觸板相互電連接的單獨電線，以建立電壓或電勢平衡，並因此避免兩個接觸板的不平衡。蓋板因此建立起用於為電阻焊裝置提供焊接電流的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]工字梁和/或接觸板和/或蓋板和/或用於形成大電流變壓器二級繞組的金屬片，優選地用銅或銅合金形成，優選地具有銀塗層。銅或銅合金具有最佳的電學性能並展現良好導熱性，藉此能更快地排出發生的熱損耗。銀塗層防止銅或銅合金氧化。替代銅或銅合金，還可以考慮鋁或鋁合金，鋁或鋁合金具有優於銅的重量優勢，儘管耐腐蝕性沒有那麼高。替代銀塗層，也可以是錫和其他材料或化合物的塗層或這些材料的層。
[0027]工字梁和/或接觸板也可以至少部分地由電阻焊裝置的槍臂形成。這能夠得以形成一種結構，其中用於提供電阻焊裝置的焊接電流的電源至少部分地集成在裡面。
[0028]在工字梁的外表面以及接觸板的外表面上，可以布置連接裝置，優選地帶有螺紋以接收螺釘的鑽孔。經過這些連接裝置，能夠建立起電源到電阻焊裝置部件(尤其是槍臂)或者要供以直流電流的其他裝置的機械和電連接。而且，各種其他元件可以通過這種連接裝置附接到工字梁或接觸板的外表面。
[0029]根據本發明的進一步特徵，在二級繞組的若干連接處，在每個連接處都布置電流換能器用於測量經過該二級繞組的電流，所述電流換能器與致動電路連接。電流換能器測量二級側電流，由此同步整流器的電路元件被觸發，以使傳導損耗和開關損耗最低。在電源對稱布置，其中工字梁作為大電流變壓器基礎的情況下，二級繞組布置在工字梁的兩側上，並且電流換能器也布置在兩側。電流換能器每個都直接與挨著它布置的致動電路直接接觸，並經適當導線與相應相對的致動電路相連。由於二級繞組並聯連接，在每個繞組中總是流動著相同電流，因此為了就整個電流作出判斷，電流僅僅要從一個二級繞組分流出來。所以，在並列連接的10個二級繞組中，只有整個二級側電流的十分之一通過電流換能器進行測量，這就是為什麼這些裝置的尺寸能夠顯著變小。於是，這又能夠實現大電流變壓器或電源裝置的整體尺寸的減小。[0030]有利的是令電流換能器相對於焊接電流的方向基本上布置在90°的方位，因為這樣能夠減少焊接電流感生出的磁場造成的幹擾，並因此減少測量誤差。於是，能夠進行非常精確的測量。
[0031]為了避免來自外部磁場的幹擾，每個電流換能器都用殼體屏蔽，並且優選地導磁材料屏蔽件。對於這種屏蔽，鐵氧體是特別合適的材料。
[0032]為了同步整流器電路元件的傳導損耗和開關損耗最小化，致動電路被設計為在達到二級繞組中電流過零點之前的時間預設點觸發同步整流器的電路元件。通過這種時間預設點，可以平衡從檢測到二級側電流的過零點到觸發相應電路元件發生的延遲。這意味著同步整流器電路元件的接通和斷開時間不是由二級側電流的過零點決定，而是由達到確定的接通和斷開閾值決定。接通和斷開閾值是根據期望的開關延遲確定的。接通和斷開閾值最好是設計為可調節的，以便進一步減少損耗。在20kA的大電流變壓器中，開關時間能例如設定為過零點之前100ns，這樣，所有部件，尤其是同步整流器的電路元件需要在這個時期內開關。
[0033]為了排放電阻焊裝置的電源中產生的熱損耗，優選地在工字梁和接觸板中布置用於導引冷卻流體的通道。作為冷卻流體，水特別合適，不過氣態冷卻劑也可以經冷卻通道傳輸，因此熱損耗可以經冷卻通道排放。
[0034]在所給出的冷卻通道的一個優選實施例中，在工字梁的外表面上布置了兩個用於供給冷卻流體的入口和一個用於排放冷卻流體的出口，其中，冷卻通道被布置為從每個入口延伸到接觸板，並經過工字梁延伸到出口。出口橫截面對應於所有入口橫截面的和。冷卻通道的這種路徑實現了首先用相應冷的冷卻流體冷卻接觸板，在接觸板上面布置了帶有更敏感部件的同步整流器電路板和致動電路電路板。接著，不太敏感的部件，特別是大電流變壓器的部件，即與二級繞組相連的工字梁，得到冷卻。
[0035]致動電路和同步整流器優選地布置在至少一個電路板上，所述至少一個電路板布置在至少一個接觸板的內表面上。致動電路和同步整流器在至少一個接觸板的內表面上的這種布置，使得二級繞組和同步整流器電路元件直接接觸，即沒有導線地接觸，以及同步整流器的輸出端與接觸板直接接觸或沒有導線地接觸。優選地，用於提供焊接電流的大電流變壓器或電源對稱地構建，其中，每一個具有部分同步整流器和致動電路的電路板布置在相應接觸板下方對稱布置的二級繞組的兩側。
[0036]同步整流器和致動電路的每個電路板都優選地包括開口，電路元件布置在開口上方，而接觸板內表面在同步整流器電路板中開口位置處包括凸起，尤其是尖頂形凸起，使得電路元件能夠經過凸起伸進接觸板內表面上的電路板上的開口中而被無導線地接觸。於是，能夠省略同步整流器電路元件和接觸板之間的連接導線，由此一方面能夠減少歐姆損耗，另一方面能夠改善電路元件和接觸板之間的熱傳導。最後，由於不必布設和連接連接導線，也降低了生產困難，而電路元件直接與凸起連接，優選地釺焊。通過凸起還能夠得以對電路板簡單定位，並因此能夠大大方便製造。
[0037]由場效應電晶體形成的電路元件的源極連接件經過凸起(特別是尖頂形凸起)直接與接觸板導電和導熱連接，這種設計由於這裡再一次省略了相應導線也是有利的。
[0038]每個電路板優選地布置在工字梁和接觸板之間，用於形成必要的電絕緣。於是，不必在工字梁和接觸板之間提供單獨的電絕緣。【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]本發明藉助於附圖被詳細地解釋。
[0040]其中，
[0041]圖1是示意性表示的現有技術電阻焊裝置，其中，機器人和焊槍固定在該裝置上；
[0042]圖2是具有為了提供焊接電流的電源的電阻焊裝置的示意性框圖；
[0043]圖3是示意性表示的電阻焊裝置，尤其是具有為了提供焊接電流的集成電源的焊槍；
[0044]圖4是為了提供焊接電流的電源的示意性框圖；
[0045]圖5示出的是為了提供直流電流的電源的一個實施例；
[0046]圖6是根據圖5的電源的分解視圖；
[0047]圖7示出的是根據圖5的電源，其中繪出了冷卻通道的路徑；
[0048]圖8是電源的大電流變壓器的工字梁的視圖；
[0049]圖9示出了根據圖8的工字梁截面；
[0050]圖10是電源大電流變壓器的接觸板，包括同步整流器和致動電路的印刷電路板；
[0051]圖11示出的是根據圖10的接觸板的截面；
[0052]圖12示出的是具有電流換能器的大電流變壓器的二級繞組的分解視圖；
[0053]圖13示出的是大電流變壓器二級繞組設計的分解視圖；
[0054]圖14是為了給同步整流器和致動電路供應電能的電路的框圖；
[0055]圖15示出的是根據圖14的供電電路的供電電壓的時間過程；以及
[0056]圖16示出的是為了圖解根據大電流變壓器二級側電流致動同步整流器電路元件的時間過程。
【具體實施方式】
[0057]在圖1?16中所圖示的實施例中，描述了具有基本部件的電阻焊裝置I的設計。在這些圖中，相同部件用相同附圖標記表示。
[0058]在圖1中，以立體圖的方式示出的用於對至少兩個工件2、3進行電阻焊的電阻焊裝置1，其具有用於操作的機器人。電阻焊裝置I由焊槍4組成，焊槍4結合到機器人並具有兩個槍臂5，每個槍臂5布置了用於保持電極7的保持器6。電極7每個都用帶8環繞，帶8減少了電阻焊時的接觸電阻並保護電極7。而且，所產生的點焊的帶8的最終圖像能夠被進行分析並用來評估焊接質量。用於保護電極7的帶8從能夠布置在焊槍4或分別布置在槍臂5上的卷繞裝置9繞開，並沿著槍臂5、電極保持器6和電極7往回導引到卷繞裝置9，在卷繞裝置9處，帶8被重新卷繞。為了進行點焊，由相應功率單元19供應的焊接電流經過電極7傳導。由此，在點焊工藝中，工件2、3通過所產生的點焊被連接在一起。通常，為了提供焊接電流的功率單元19位於電阻焊裝置I的外面，如圖1中示意性圖示的。焊接電流經過合適的導線11被供應給由導電材料形成的電極7或槍臂5。由於焊接電流的幅值在大約kA的範圍，所以需要相應大的橫截面用於導線11，導致相應高的歐姆損耗。
[0059]而且，長的一級供電導線導致導線11的電感增加,所以，電源10的大電流變壓器12操作的開關頻率受到限制，導致非常大的大電流變壓器12。在現有技術中，功率單元19定位在挨著焊接機器人的開關櫃中，這樣，用於機器人上的焊槍4需要例如長達30m的非常長的供電導線連接到大電流變壓器12。
[0060]在根據本方面的方案中，實現了重量和尺寸的顯著減小，使得功率單元19得以直接定位在機器人上，特別是在槍保持器的部分中。另外，功率單元19優選地被設計為水冷卻的。
[0061]圖2示出的是電阻焊裝置I的示意性框圖，具有為了提供焊接電流的電源10。雖然在所示實施例中，電源10被用來向電阻焊裝置I提供焊接電流，但是，電源10，特別是電源的整體設計，也能夠被用來向其他應用場合提供直流電流。電源10包括大電流變壓器12，大電流變壓器12具有至少一個一級繞組13、具有中心抽頭的至少一個二級繞組14和環形芯15。經過大電流變壓器12傳輸的電流在同步整流器16中整流，然後供應給電阻焊裝置I的槍臂5或電極7。為了控制同步整流器16，提供了致動電路17。基於例如經過電流換能器18測量的大電流變壓器12的二級側電流，致動電路17向同步整流器16的電路元件24發出相應的觸發脈衝。
[0062]一般知道，由於大焊接電流是所需導線長度之和的結果，顯著的歐姆和/或電感損耗以及傳導和開關損耗發生在同步整流器16的電路元件24中。除此之外，損耗還發生在整流器中，在用於同步整流器16和致動電路17的電源中。相應地，這種電阻焊裝置I的最終效率低。
[0063]為了產生大電流變壓器12的一級側電流，提供了功率單元19。功率單元19布置在電網和電源10之間。功率單元19以期望幅值和期望頻率向大電流變壓器12或電源10提供一級側電流。
[0064]圖3示出的是具有集成電源10的電阻焊裝置I的示意性圖示。電源10直接布置在電阻焊裝置I的焊槍4或槍臂5上，特別是作為支撐構件，這樣能夠省略至少一部分為了將焊接電流導引到電極7的導線11，並由於僅需要與一個槍臂5的連接而因此顯著縮短了導線長度。電源10至少具有四個觸點20、21、22、23，以形成多點接觸，其中，一個極性的兩個第一觸點20、21連接於一個槍臂5，相反極性的另外兩個觸點22、23連接於另一個槍臂5。有利地，一個極性的兩個第一觸點20、21和另一個極性的其他兩個觸點22、23都彼此相對地布置，其中，其他兩個觸點22、23與兩個第一觸點20、21相比基本上布置為彼此偏離90°。由此，通常需要用以將大電流變壓器12的二級側14連接到電阻焊裝置I的槍臂5或電極6的多點接觸導線，能夠被避免或者其長度能夠減小，並因此能夠顯著地減少歐姆損耗以及接觸損耗。於是，能夠採用具有優選地大橫截面的優選地短導線，同時保持焊槍4的靈活性。進一步的優點在於，由於這種接觸，損耗(具體地說接觸電阻)減少了。由於至少四個觸點20、21、22、23，待傳輸的焊接電流能夠減半，由此，由於有效接觸面積顯著增加，接觸電阻減小，也導致了接觸損耗的減少。例如，在確定大電流變壓器12或電源10的尺寸時，為了提供20kA的直流電流，四個觸點20、21、22、23的每一個都具有從15cmX 15cm到25cmX25cm(優選地 20cmX20cm)的面積。
[0065]在所示實施例中，電源10形成為基本上方盒形狀，其中方盒的側表面形成觸點
20、21、22、23。兩個第一觸點20、21連接於一個電極7，另外兩個觸點22、23經由槍臂5連接至電阻焊裝置I的另一個電極7。如能夠在部分分解視圖中所看見的，至少一個槍臂5，特別是下槍臂5，經由下槍臂5的支撐構件23a進行連接；而另一個槍臂，特別是上槍臂5，經由柔性連接器夾23b連接至另外的觸點22、23。於是，至少一個槍臂5直接連接於大電流變壓器12，另一個槍臂5經由非常短(例如短於50cm)的導線連接於大電流變壓器12。由於電阻焊裝置I的電源10和電極7或槍臂5之間的導線11被省略或特別短，所以歐姆和電感損耗能被顯著減小。
[0066]當至少兩個觸點20、21直接或無導線地並因此無接觸電阻地連接至槍臂5時，會產生出特別的優點。這種情況可以實現，因為這兩個觸點20、21實質上集成在電源10中，並且直接地(即沒有布設供電導線地)連接到電阻焊裝置I的對應部分，特別是槍臂5。於是，通過將槍臂5直接連接到大電流變壓器12的觸點20、21，實現了無導線連接，而第二槍臂5必須通過非常短的導線連接到觸點22、23。按照這種方式，能夠實現導線損耗極大的減少，因為導線長度被減小到最小。在現有技術中，大電流變壓器理想的是定位為儘可能靠近焊槍4，使得導線接下來必須從大電流變壓器12布設到焊槍4，而在根據本發明的方案中，大電流變壓器12集成在焊槍4中，同時一個槍臂5直接安裝在大電流變壓器12上，使得只有第二槍臂5必須要用一個或兩個短導線連接。當然，例如可以使用滑動觸點或其他連接元件代替導線。由於電源10的部件的緊湊設計和直接連接，即無導線連接，電源10內的損耗也能夠顯著降低。
[0067]有利的是，電源10的所有部件，包括同步整流器16、致動電路17、電路換能器18和用於同步整流器16和致動電路17的所有供電電路，都包含在方盒或方石堆單元中。也就是說，通過集成電子部件/電路，生成了方盒形式的結構單元，在這種情況下，為了在以高性能適當確定尺寸的二級側獲得直流電流或直流電壓，使用者僅僅需要在一級側提供相應的交流電壓或相應的交流電流形式的能量。控制和調節在方盒或電源10中自動進行。因此，方盒和電源10通用於為部件供應大直流電流。特別是，像通常在電阻焊工藝中那樣，電源10用來供應低電壓和大電流。
[0068]當用在電阻焊工藝中時，部分的方盒形電源10也能夠由電阻焊裝置I的部件形成，例如部分的槍臂5等，如圖所示。通過將槍臂5直接結合到方盒，方盒或電源10呈現出支撐功能。另一個槍臂5經由連接導線(未示出)連接。通過使用所述設計，避免了長供電導線，這樣，獲得了損耗的顯著減少。但是，為了使得方盒集成進這樣的焊槍4中，要求保持其尺寸儘可能小。例如，在確定待提供的直流電流聞達20kA的尺寸時,方盒或電源10具有在IOcm和20cm之間的邊長，特別是15cm。通過使用方盒形電源10的所述緊湊設計，很容易能夠將其集成在例如焊槍4的殼體中。
[0069]圖4示出的是為了提供直流電流特別是焊接電流的電源10的示意性框圖。在電源10的這個優選實施例中，大電流變壓器12的10個一級繞組13串聯連接，大電流變壓器12的10個具有中心抽頭的二級繞組14並聯連接。通過使用大電流變壓器12的這種設計，即使使用低匝數的一級繞組13和低匝數的二級繞組14，也能夠實現為了達到二級側相應大電流的相應高傳輸比。例如，用10個一級繞組13還有10個二級繞組14，能夠實現100的傳輸比。一級電流流經串聯連接的大電流變壓器12的一級繞組13，而較大的二級側電流在並聯連接的10個二級繞組14之間分割。二級側的部分電流供應給同步整流器16的相應電路元件24。通過使用這種分割，得到了相應高的傳輸比(這裡為100)，儘管一級和二級匝數低。通過使用所述構造，與傳統大電流變壓器對比，在一級側要求的匝數更低，由此能夠減少一級繞組13的長度，並由此能夠降低歐姆損耗。因為一級繞組13的匝數降低並因此導線最終長度降低，所以，對於這種系統來說是通常情況的大電流變壓器12的洩露電感也降低了，由此，大電流變壓器12能夠在更高的開關頻率下操作，例如10kHz。而與傳統大電流變壓器相比更高的開關頻率又導致大電流變壓器12整體尺寸和重量的減少，於是可以選擇有利的安裝。所以，大電流變壓器12能例如定位得非常靠近電阻焊裝置I的電極
7。於是，甚至焊接機器人的負載由於大電流變壓器12更低的重量而能夠減小，使得小型的更便宜的焊接機器人就足夠了。
[0070]傳統變壓器中沒有一級和二級繞組的串/並聯，相應地需要更多的一級繞組，這會導致在一級側明顯長得多的導線長度。由於更長的導線長度，一方面歐姆損耗增加了，另一方面產生了更高的洩露電感，這就是為什麼現有技術變壓器能夠進行操作的頻率被限制到某個kHz。
[0071]相比之下，在這裡描述的大電流變壓器12的構造中，系統中固有的一級繞組13和二級繞組14的歐姆損耗和洩露電感低，這就是為什麼能夠使用IOkHz以及以上範圍的頻率。由此，也能夠實現大電流變壓器12明顯變小的整體尺寸。大電流變壓器12或電源10的更小尺寸又使得其能夠布置得更加靠近需要產生的電流(例如在電阻焊裝置I的槍臂5上)的位置。
[0072]通過並聯連接大電流變壓器12的二級繞組14，所產生的二級側大電流被分割成若干部分電流。這些部分電流被傳輸給同步整流器16的電路元件24，如示意性圖示的那樣。為了觸發電路元件24，提供了致動電路17，引入在一級繞組13和二級繞組14的截面中，其中，包括關聯傳感器的同步整流器16和致動電路17都布置在方盒內，即大電流變壓器12內。同步整流器16和致動電路17被形成為以及其尺寸被確定為它們自動地進行電源10的調整和控制，即不受外部影響。所以，方盒優選地沒有用於從外面進行幹預的控制線路，而是僅僅具有用於一級側供電的連接件或觸點和用於傳送所生成的二級側電能(特別是大二級直流電流)的連接件或觸點。
[0073]然而，可以引進致動電路17的相應連接件以為致動電路17提供給定值。通過進行外部調整，電源10能夠被理想地調整到應用領域。但是，從現有技術得知，能夠採用用於改變或傳輸數據的系統，該系統以無線方式操作，優選地以電感方式、磁方式或經過藍牙，使得無需引進控制連接件。
[0074]電源10的控制和/調節是經集成的傳感器進行的。通過使用相應的電流換能器18測量二級繞組14的二級側電流，致動電路17獲得了在哪些時間點上同步整流器16的電路元件24應該開關的信息。因為電流換能器18僅僅測量大電流變壓器12的二級側電流的一部分，這裡為十分之一，所以，它們能夠被設計得更小，再次積極地影響電源10的整體尺寸。
[0075]為了減少傳導和開關損耗，同步整流器16的電路元件24優選地在流過大電流變壓器12的二級繞組14的二級側電流的過零點時開關。由於從電流換能器18檢測到二級側電流的過零點到觸發同步整流器16的電路元件24發生某些延遲，根據本發明，致動電路17被形成為在達到二級繞組14中的電流過零點之前的預設時間點開關同步整流器16的電路元件24。於是，致動電路17引起同步整流器16的電路元件24在下述時間點開關:這時電流換能器18測得的大電流變壓器12 二級繞組14中的電流低於或者超過某種接通或斷開閾值。通過使用所述方法，實現了同步整流器16的電路元件24基本上在流過大電流變壓器12 二級繞組14的電流在過零點期間開關，由此，傳導和開關損耗可被最小化(同時見圖 16)。
[0076]在圖4中用於給同步整流器16和致動電路17供應電能的供電電路48也引入用於一級繞組13和二級繞組14。這個供電電路48也優選地集成在電源10中，即方盒中。由於在期望輸送直流電流例如焊接電流的時候，必須確保給電源10的同步整流器16和致動電路17供應足夠的電能，所以，要求足夠快地觸發供電電路48 (見圖15)，或者構造為通過觸發電源10，儘可能快地提供足夠高的供電電壓，並且隨後輸送所需要的功率或所需要的電流。
[0077]圖5示出的是根據圖3的電源10的實施例的放大圖示。為了提供直流電流(例如焊接電流)的電源10基本上具有方盒或方石堆的形式，其中，方盒或方石堆的側面代表觸點20、21、22、23，所產生的直流電流經過觸點20、21、22、23能夠被傳輸給相關的用戶負載，諸如電阻焊裝置I的槍臂5或電極7。電源10的全部部件，即大電流變壓器12、同步整流器16、致動電路17、電流換能器18、供電電路48等，被包括或集成在電源10的這個方盒或方石堆形構件中。通過使用所述緊湊設計，因為通過集成電子部件，特別是包括同步整流器
16、致動電路17和供電電路48的印刷電路板的電子部件，在方盒中實現了導線最佳地縮短並因此實現了最佳開關時間，電源10的損耗能保持得特別低，並因此其效率能顯著增加。通過將電源10的同步整流器16、致動電路17以及供電電路48集成進大電流變壓器12中，並通過並聯連接同步整流器16的若干電路元件24，以及通過不用導線地將電路元件24連接到大電流變壓器12的二級繞組14，在同步整流器16和大電流變壓器12的二級側14之間不需要導線，由此通過使用這種導線引起的可能歐姆損耗和其他損耗也被去掉了。為了給大電流變壓器12供電的功率單元19定位得儘可能靠近大電流變壓器12，以實現連接導線儘可能短以及因此導線損耗和導線電感儘可能小。通過集成所有部件，形成了自動單元，該自動單元在輸入側連接到功率單元19，在輸出側(在電阻焊裝置I的情況中)僅僅連接到槍臂5或電極7。電源10的單個電路之間的公共導線不再需要，或者至少其長度顯著減小。
[0078]電源10的大電流變壓器12的基礎是工字梁25形式的變壓器元件，工字梁25由導電材料製成，特別是銅或銅合金，最好有例如銀的塗層。在工字梁25的凹部25a中，包括大電流變壓器12的二級繞組14的環形芯15布置在兩側。就空間而言，當環形芯15不是有圓形而是有橢圓或扁平截面時是有利的。在圖示的實施例中，在工字梁25的每一個凹部25a內，5個環形芯15均布置成與相應的二級繞組14並聯。一級繞組13或若干相互間串聯連接的若干一級繞組13 (點劃線)延伸穿過布置在工字梁25的凹部25a中的環形芯15並圍繞工字梁25的腹板。通過使用這種路徑的一級繞組13並通過環形芯15特別對稱地布置在工字梁25的兩個凹部25a中，能夠實現對二級繞組14的最佳磁耦合。一級繞組13的連接件26被引導穿過工字梁25的外表面28上的至少一個開口 27。大電流變壓器12的一級繞組13能經由所述連接件26連接到相應的功率單元19。工字梁25的外表面28形成了電源10的兩個第一觸點20、21，這兩個觸點例如連接到電阻焊裝置I的電極7之一。
[0079]接觸板29定位在工字梁25的凹部25a的上方，接觸板29的外表面形成電源10的其他兩個觸點22、23並且與工字梁25絕緣。接觸板29也是由導電材料製成的，例如銅或銅合金，最好有例如銀制的塗層。銅或銅合金具有最佳的電學性能並展現出良好的導熱性，由此正在發生的熱損耗能夠被更快地排放。銀塗層防止銅或銅合金氧化。也可以考慮鋁或鋁合金代替銅或銅合金，鋁或鋁合金具有優於銅的重量優勢，儘管其抗腐蝕能力不那麼高。不用銀塗層，錫和其他材料或化合物的塗層或這些材料層也是可以的。在接觸板29和大電流變壓器12 二級繞組14的相應連接件之間，布置的是同步整流器16和致動電路17的電路板35。所述電路板35或印刷電路板直接安裝或釺焊到接觸板29，並隨後以絕緣的方式結合到工字梁25。通過使用所述設計，大電流變壓器12的二級側連接件能夠不用布線直接連接到或接觸同步整流器16的電路元件24。同步整流器16的輸出端也優選地直接連接到接觸板29，由此不需要導線。接觸板29被連接到工字梁25，優選地螺紋連接就位(未示出)。在工字梁25的外表面28以及接觸板29的外表面上，可以布置連接裝置30，諸如具有接受螺釘的相應螺紋的鑽孔。例如，連接到電阻焊裝置I的槍臂5或有待供應直流電流的其他裝置的導線，能經由所述連接裝置30進行結合，或者槍臂5能夠直接結合到工字梁25或接觸板29。
[0080]蓋板31能結合到方盒或方石堆形電源10的上側和下側，並能連接(例如螺紋連接，見圖6)到工字梁25和接觸板29。優選地，蓋板31也是由導電材料製成，並螺紋連接到接觸板29，形成了堅固的大電流變壓器12單元以及經蓋板31在接觸板29之間產生電連接。於是，實現了經蓋板31能發生均衡帶電，並因此不會發生大電流變壓器12的不平衡負載。於是，為了生成電壓和電勢均衡並避免失衡，可以省略將兩個接觸板29彼此電連接的單獨的電線。這意味著，為了提供焊接電流的大電流變壓器12或電源10的平衡布局的兩個接觸板29的電連接經由蓋板31建立起來。當然，在這種情況中，需要提供工字梁25之上的適當絕緣。接觸板31以及工字梁25和接觸板31優選地由銅或銅合金製成，優選地有銀塗層。
[0081]為了能夠冷卻電源10的部件，在工字梁25的外表面28上，特別是第一觸點20上，設置了用於供給冷卻流體的兩個入口 32和用於排放冷卻流體的出口 33。用於排放冷卻流體的出口 33的橫截面表現為用於供給冷卻流體的所有入口 32的橫截面之和。針對冷卻流體的最佳路徑，相應地布置冷卻通道39(見圖9和11)。作為冷卻流體，可以使用水或其他液體，還有氣態冷卻劑。
[0082]根據圖6，如可以在電源10的分解視圖中看到的，用於測量大電流變壓器12的二級側電流的電流換能器18直接放置在布置在頂上的二級繞組14上，這意味著在工字梁25兩側的每個第一或最頂上的二級繞組14上，電流換能器18被布置為流過這個二級繞組14的電流由於感生的電流而能被確定。為了避免外部電磁場篡改電流換能器18測量到的電流，優選地在電流換能器18上方布置用於屏蔽的殼體34，殼體34由導磁材料製成，例如鐵氧體。
[0083]電流換能器18布置在工字梁25的兩側，位於第一、第二二級繞組14的每一個上面。由於電流流過一級繞組13，該電流在工字梁25的一側流出，藉此最頂上的二級繞組14因此形成第一二級繞組14，而在相反側，該電流現在正進入最頂上的二級繞組14並因此形成第二二級繞組。通過使用全橋，要求一直相互獨立地檢測來自第一、第二二級繞組14的電流，這樣，根據該電流，能夠致動同步整流器16的相應電路元件24。於是，通過電流換能器18感生的控制脈衝，能夠幾乎同步地致動工字梁25兩側的電路元件24。
[0084]在接觸板29和工字梁25之間，布置了同步整流器16和致動電路17的電路板35。同時，電路板35建立了工字梁和接觸板29之間所需的絕緣。同步整流器16的相應電路元件24與大電流變壓器12的二級繞組14直接接觸。經過接觸板29內側上的凸起36 (尤其是尖頂形的凸起)和電路元件24下方的電路板35上的相應開口 37，能夠使得電路元件24與接觸板29直接接觸。電路元件24優選地由合適的場效應電晶體形成，場效應電晶體的漏極由其殼體形成。場效應電晶體的殼體直接地或無導線地連接到大電流變壓器12的至少一個二級繞組14，這樣，這些單元之間不需要導線。例如，採用由氮化矽或氮化鎵製成的場效應電晶體。電流換能器18直接連接到並排布置的同步整流器16和致動電路17的電路板35，並經合適的導線38連接到同步整流器16和致動電路17的相對電路板35。
[0085]根據圖5和圖6，組裝電源10優選地是通過使用兩種不同釺焊溫度的釺焊工藝進行的。首先，二級繞組14使用釺焊材料特別是在例如260°C的高的第一溫度TsI下熔融的焊錫連接到工字梁25的凹部25a。接觸板29也使用在例如260°C的高的第一熔融溫度TsI下熔融的焊接材料與電路板35接觸。然後又使用在例如260°C的第一熔融溫度TsI下熔融的焊接材料，將同步整流器16和致動電路17的部件安裝到電路板35。由於電路板35在接觸板29上的毛細作用，不存在電路板35從接觸板29鬆開的風險。這些步驟之後，二級繞組14的外部觸點和電路板35上的觸點被噴灑以第二熔融溫度Ts2的釺焊材料，第二熔融溫度Ts2與第一熔融溫度TsI相比更低，例如180°C。包括電路板35的接觸板29被連接(優選地螺紋連接)到工字梁25，隨後使用例如180°C的第二熔融溫度Ts2的釺焊材料加熱，這樣建立了二級繞組14到同步整流器16的電路元件24的連接。通過使用所述低的第二熔融溫度Ts2的釺焊材料，能夠保證使用高熔融溫度TsI的釺焊材料產生的釺焊接頭不會被熔化或者由於結晶過程而變得具有更高電阻。最後，一級繞組13穿過環形芯15，隨後安裝並接觸功率變壓器18並布設導線38。通過結合蓋板31，電源10完成。為了減少作用到電源10的部件的張力和彎曲力，在組裝蓋板31之前，所有腔都可以被封裝起來。經因此在例如蓋板31中形成的開口(未示出)，也可以在組裝蓋板31之後進行封裝。
[0086]圖7所示為圖5和圖6的電源10，示出了冷卻通道39的路徑(虛線)。相應地，冷卻通道39首先從對稱布置的兩個入口 32延伸進入接觸板29。功率最大的熱源(同步整流器16的電路元件24和致動電路17的部件)和最敏感部件在接觸板29處用冷的冷卻流體進行冷卻。隨後，冷卻通道39延伸進入工字梁25的外部元件和工字梁25的腹板，大電流變壓器12的繞組在這裡進行冷卻，其中，在側面流入的這兩個冷卻通道39在腹板中匯聚成一個單一冷卻通道39。之後，冷卻通道39終止於用於冷卻流體的公共出口 33。接觸板29和工字梁25中的冷卻通道優選地由相應的鑽孔40形成，鑽孔40在相應位置上用封閉構件41封閉。在工字梁25和接觸板29之間，布置了用於密封冷卻通道39的相應密封構件42，例如O型圈(見圖8)。
[0087]在圖8中，大電流變壓器12的工字梁25被示出與大電流變壓器12或電源10的其他部件是分離的。在冷卻通道39的端部位置，布置了例如O型圈形式的上述密封構件42。工字梁25中的凹部25a被設計為精確地接收環形芯15，藉此實現了非常緊湊的設計。同時，工字梁25的腹板形成了接觸表面，用於大電流變壓器12的二級繞組14的中心抽頭。二級繞組14的中心抽頭無導線地連接到工字梁25的腹板，由此，又能夠省略相應的導線。通過將二級繞組14直接連接到工字梁25，還實現了連接表面的顯著增加，於是，再次能夠避免接觸損耗和導線損耗。[0088]工字梁25形成了大電流變壓器12的二級繞組14圍繞布置的基礎，這樣不需要連接導線。工字梁25的外表面代表電源10的兩個第一觸點20、21，這兩個觸點直接地(即無導線地)連接到電阻焊裝置I的槍臂5。實現了一種節省空間的布置，其中環形芯15不是設計為圓形的，而是橢圓形的或扁平的。優選地，採用閉合的環形芯15。通過使用所述設計，能夠進行一級繞組13和二級繞組14的串/並聯連接，藉此實現了利用匝數減少的一級繞組13和二級繞組14提供大直流電流所需的大電流變壓器12的傳輸比。當並聯連接的至少3個二級繞組14布置在工字梁25的每一側時，這樣的設計尤其有用。
[0089]圖9示出的是圖8的工字梁25沿著橫切線IX-1X的剖視圖。在該圖中，能夠清楚地看見冷卻通道39到公共出口 33的用於冷卻流體的路徑。
[0090]圖10以放大圖示示出大電流變壓器12或電源10的接觸板29以及布置在它上方的用於同步整流器16和致動電路17的電路板35。如上面已經提及的，同步整流器16的電路元件24在一側直接接觸到大電流變壓器12的相應二級繞組14，而在另一側直接連接到接觸板29。為此目的，凸起36 (尤其是尖頂形的凸起)布置在接觸板29的內表面上。凸起36伸進電路板35的相應開口 37中並在開口 37處直接地或無導線地接觸布置在開口 37上方的電路元件24的源極連接件。因為凸起36，同步整流器16的電路元件24與接觸板29之間的連接導線能夠省略，藉此一方面能夠減少歐姆損耗，另一方面能夠改善電路元件24與接觸板29之間的熱傳遞。最後，還減少了製造難度，因為不需要布設和連接連接導線，而電路元件24直接地連接(優選地釺焊)到凸起36。還有，得以實現電路板35的簡單定位，並因此大大簡化了製造。
[0091]通過將致動電路17和同步整流器16布置在布置於接觸板29內側的電路板35上，實現了二級繞組14的連接件直接接觸或無導線地接觸同步整流器16的電路元件24，以及同步整流器16的輸出端直接接觸或無導線地接觸接觸板29。優選地，為了提供直流電流的大電流變壓器12或電源10對稱地設計，其中，在對稱布置的二級繞組14的兩側，每側都布置一個電路板35，其中一部分同步整流器16和致動電路17位於每側一個的接觸板29下方。
[0092]在根據圖10的同步整流器16中，10個電路元件24都布置成一行。為了確保並聯連接的所有電路元件24基本上同時被致動，而運行時間損耗幾乎沒有影響，電路元件24的對稱致動從兩側進行，這意味著優選地5個電路元件24均從右側和從左側經由布置在兩側的柵極驅動器致動。也可以布置不同的致動選項，諸如中心地延伸的額外的柵極驅動器，由此，導線長度及其電感被分成3部分。通過並聯致動同步整流器16電路元件24的柵極，保證了短的致動路徑，並因此保證了近於同步的開關時間，這是由於沒有或幾乎沒有運行時間的損耗發生。
[0093]在將電路板35安裝到接觸板29上的過程中，接觸板29的凸起36經過電路板35的開口 37凸出，由此，電路板35的背面能同時牢固地連接或釺焊到接觸板29，另外，布置在相反側的電路元件24也可以連接或釺焊到接觸板29。於是，通常大量的布線可以省略了。還能夠簡單地將電路板35定位在接觸板29上，因此在釺焊時不再滑動。當同步整流器16、致動電路17和供電電路48布置在電路板35上時，在將電路板35集成在大電流變壓器12中，能夠實現自動設計。將致動電路17布置在串並聯布置的電路元件24的兩側是進一步的優點，這是由於實現了到單個電路元件24的線路變短。於是，能夠保證在非常短的時間段中，所有並聯連接的電路元件24都接通。利用致動電路17的所述兩側布置，實現了導線長度減半，結果導線的電感減少了，於是顯著縮短了開關時間。在電路板35的一側，釺焊面優選地提供在整個面之上，以便釺焊到接觸板29上，由此能夠實現牢固地連接到接觸板29。於是，接觸電阻也能顯著減小，因為電路板35整面連接具有更低的接觸電阻。也可以提供短連接線(所謂的鍵合線)，來取代優選地通過釺焊進行的直接連接。
[0094]供電電路48優選地被設計為相應地形成大開關電流，例如在800A和1500A之間，尤其是1000A，並給部件供應相應的供電電壓。由於非常大的開關電流，能夠實現了非常短的開關時間，特別是在ns範圍中。由此能夠保證，電路元件24總是在過零點或剛好在過零點之前以低輸出電流開關，這樣，沒有或幾乎沒有任何開關損耗發生。如果提供了用於優選通過電感、磁或藍牙無線傳輸數據的數據通信電路，則數據能夠從電路板35和向電路板35無線傳輸(未示出)。於是，在大電流變壓器12的不同應用領域，能夠對開關時間點進行調節。類似地，數據能夠從布置在電路板35上的存儲器(未示出)讀取，以便分別作進一步處理或用於控制或質量控制。
[0095]為了給同步整流器16的電路元件24提供過電壓保護，有利的是當不需要電路元件24時接通它們。這意味著在電阻焊裝置I的應用情況下，有效的同步整流器16是在焊接中止期間觸發的，以便避免損壞電路元件24。對一級電流或二級電流是否流經大電流變壓器12進行監測，在沒有電流流過並且同時焊槍4針對新焊接點相應定位的情況下，致動電路17通過相應地致動柵極而致動所有電路元件24。當電源10在焊槍4定位後被啟動時，意味著手動或自動焊接工藝開始了，這時交流電壓被施加到大電流變壓器12的一級繞組13，由於電流流過這種情況又被致動電路17檢測到，於是電路元件24的保護模式被解除。當然，同步整流器16的電路元件24的觸發和解除也能經由通過無線電或感應或磁場方式發送到致動電路17的控制信號來執行。可能的過電壓不能對接通的電路元件24造成破壞。還可以利用齊納二極體提供對電路元件24某種最小程度的保護。
[0096]圖11示出的是根據圖10的接觸板29沿著橫切線X1-XI的剖視圖。在這個圖中，能清楚地看見冷卻通道39的路徑。鑽孔40中的開口是通過製造工藝得到的，以便形成冷卻通道39，這些開口被相應的封閉構件41密封。封閉構件41可以通過擰進鑽孔40內的相應螺紋中的合適螺釘來實現。
[0097]圖12示出的環形芯15其上面布置有大電流變壓器12的兩個二級繞組14加上在分解圖示中示出的布置在上面的電流換能器18。電流換能器18由屏蔽殼體34和屏蔽件43保護不受外界磁場的影響，這樣，經過二級繞組14的二級側電流能夠儘可能精確地得到測量，並能夠被供應給致動電路17以便控制同步整流器16的電路元件24。為了屏蔽磁場，鐵氧體是特別合適的材料。電流換能器18定位或固定在所布置的兩個二級繞組14之一的一部分的上方。從現有技術可知，電流換能器18是磁芯上面布置繞組形成的，其中，繞組的觸點連接於致動電路17。進一步，在環形芯15和二級繞組14之間，布置了用於電流換能器18的屏蔽件43以及芯板，其中，電流換能器18的芯放置在所述芯板上。
[0098]在大電流變壓器12的這種設計中，這種設計的兩個二級繞組14布置在工字梁25的兩側，這樣，致動電路17測量流過在兩側並聯連接並定位的二級繞組14的其中一個的電流。當致動電路17連接到這些電流換能器18時，精確控制或調節變為可能，這是由於大電流變壓器12所處的狀態能夠經由電流換能器18檢測到。[0099]由於上述的二級繞組14的並聯連接，在每一個二級繞組14中，流動著同樣的電流。於是，為了就整個電流得出結論，電流僅僅需要從一個二級繞組14抽取。在10個二級繞組14並聯連接時，只有整個電流的十分之一由電流換能器18進行測量，這就是為什麼這些電流換能器18尺寸能夠小得多。於是，也實現了大電流變壓器12或電源10的整體尺寸的減少。有利的是，將電流換能器18基本上布置在相對直流電流(具體地說是焊接電流)方向成90°的方位，這是由於由此能夠減少直流電流感生出的磁場造成的幹擾，並因此能夠減少測量誤差。於是，能夠進行非常精確的測量。
[0100]從根據圖13的分解視圖中可以看到，大電流變壓器12的二級繞組14優選地由兩個金屬片44、45形成，兩個金屬片44、45通過例如紙層的絕緣層46相互絕緣，並具有圍繞著環形芯15的橫截面並穿過環形芯15的基本上為S形的鏡像顛倒的路徑，它們布置在彼此之中。這意味著，在一個環形芯15上布置兩個二級繞組14或二級繞組14的具有中心抽頭的部分。二級繞組14的金屬片44、45的外表面47同時形成接觸表面，用於接觸到用作整流中心的工字梁25和同步整流器16的電路元件24。於是，不需要導線以為了將大電流變壓器12的二級繞組14連接到同步整流器的電路元件24。二級繞組14，具體地說形成二級繞組14的金屬片44、45，直接地或沒有導線地連接到同步整流器16的電路元件24和工字梁25的腹板或整流的中心。於是，實現了一種非常節省空間而且緊湊、重量輕的低損耗設計。同時，提供了用於將二級繞組14連接到工字梁25的腹板和同步整流器16的電路元件24的較大的表面47，用於進行接觸，以便確保損耗儘可能小的大電流流動。通過這樣的布置，在二級側上實現了中心整流器，其中，工字梁25以二級繞組14的一個連接的端部形成了該中心。
[0101]環形芯15可以用鐵氧體、無定形材料或納米晶體原材料製造。所使用的材料就磁性來說越好，環形 芯15就能設計得越小。然而，環形芯15的價格當然就越高。在設計金屬片44、45時，實質上是它們被按照穿過環形芯15至少一次的方式進行摺疊或彎曲。這兩個金屬片44、45或布置在一個環形芯15上的二級繞組14以鏡像顛倒的方式設計，並相互絕緣。
[0102]圖14示出的是為了給同步整流器16和致動電路17供應電能的供電電路48(具體地說功率供應單元)的方框圖。供電電路48連接到大電流變壓器12 二級側或二級繞組14的連接件，並包括峰值整流器49、增壓器50、線性電壓調節器51和分壓器52。增壓器50或升壓器確保快速地提供電源10的部件的供電。同時，有源同步整流器16的內部供電電壓儘可能快地產生。通過使用增壓器50，確保了在觸發的開始階段供電電壓的所需幅值首先儘可能早地產生，以便在儘可能早的時間確保集成進大電流變壓器12中的同步整流器16的安全功能。
[0103]圖15示出的是根據圖14的供電電路48的供電電壓V的時間過程。電壓增加的坡度Λ V/At被選擇為足夠陡，以確保所需的電壓VCC以最大延遲Td施加在同步整流器16和致動電路17。例如，延遲Td應當小於200微秒。通過峰值整流器49和增壓器50的電路的適當構造以及適當低的電容，能夠實現電壓的充分的轉換速率。於是，可以說，首先利用突然的增加確保供電電壓的最小高度，然後才產生合適供電。
[0104]圖16示出的是大電流變壓器12的二級側電流Is和用於同步整流器16的電流元件24的控制信號G1和G2的時間過程，用來圖解無損耗的致動。通過使用相應的電流換能器18測量二級繞組14的二級側電流Is，致動電路17獲得信息，在這個時間點上同步整流器16的電路元件24應該進行開關。為了減少傳導和開關損耗，同步整流器16的電路元件24優選地在流經大電流變壓器12的二級繞組14的二級側電流過零時開關。由於從電流換能器18檢測到二級側電流Is過零點到致動同步整流器16的電路元件24發生一定延遲tPM，根據本發明，致動電路17被形成為在到達二級繞組14中的電流的過零點之前的預設時間處致動同步整流器16的電路元件24。於是，致動電路17使得同步整流器16的電路元件24的開關發生在以下時間點:此時由電流換能器18測量的大電流變壓器12 二級繞組14中的電流Is掉到低於或超過某個接通閾值Ise和斷開閾值ISA。通過使用這種方法，可以實現同步整流器16的電路元件24基本上在流經大電流變壓器12的二級繞組14的電流Is的過零過程中開關，由此同步整流器16的電路元件24的傳導損耗和開關損耗能夠被最小化。於是，同步整流器16的電路元件24的接通和斷開時間不是由二級側電流的過零點決定的，而是由定義的接通閾值Ise和斷開閾值Isa的實現決定的。接通閾值Ise和斷開閾值Isa是根據所期望的開關延遲定義的。接通閾值Ise和斷開閾值Isa最好設計為可調節的，以便進一步減少損耗。在20kA的大電流變壓器12中，開關時間可以例如設定為過零點之前100納秒，這樣，同步整流器16的電路元件24需要在這個時間段內進行開關。
[0105]用於為了提供例如20kA焊接電流的電阻焊裝置的通用現有技術的大電流變壓器，表現出大約40~50kW的損耗。根據現有技術，為了提供20kA的焊接電流，總共需要高達150kW的連接功率，其中總共的損耗加起來大約135kW，導致效率為約10%。相比之下，本發明的大電流變壓器12表現出只有約5~6kW的損耗。導線損耗可從通常的30kW降低到20kW。於是，在根據本發明的電阻焊裝置I中，用來產生20KA焊接電流的連接功率可減少到75kW，這是由於總共的損耗加起來只有約60kW。因此，約20%的最終效率是現有技術的大約兩倍高。從這樣的對比可以清楚的看出潛在的節約，尤其是在包括多臺電阻焊裝置的汽車工業的生產線中。 [0106]基本上講，所描述的電源10或大電流變壓器12被設計為方盒或方石堆的形式，其中，兩個側表面由工字梁25形成，在這兩個側表面上布置了接觸板29，接觸板29是電絕緣的，用於形成第三和第四側表面。在前面，朝向四個側表面的每一個布置一蓋板31，蓋板31與工字梁25電絕緣，以便形成方盒或方石堆的第五和第六側表面。在方盒內部，特別是在側表面內，同步整流器16和致動電路17布置在至少一個電路板35或印刷電路板上。於是，方盒僅僅具有用於大電流變壓器12的一級繞組13的連接件26以及作為接觸表面用於消耗直流電流或直流電壓的側表面。另外，還提供了冷卻連接件，特別是用於冷卻流體的入口32和出口 33。優選地，不提供集成在方盒中的用於同步整流器16和致動電路17的控制線路，這是由於本系統自動操作，因此連接到功率單元19或系統的控制裝置是不必要的。在這種設計中，優選地，不需要控制線路，而是電源10隻是在一級側連接到功率單元19，因此在二級側可以得到例如15kA-40kA的相應大小的直流電流。於是，用戶不需要做任何調整，而是僅僅需要連接電源10。將實際上獨立的分立部件集成進這種公共單元內，使得整體尺寸顯著減小，並因此使得電源10的重量顯著減小。同時，該單元在某種應用場合(特別是焊槍4)中還能夠直接用作支撐元件。用戶的方便性也顯著增加了。
[0107]在本設計中，進一步重要的是將電路元件24無導線地連接到相應部件，即，傳導焊接電流的、由場效應電晶體形成的電路元件24的源極連接件直接連接到或釺焊到接觸板29的凸起36，其中，電路元件24的柵極連接件也直接布置或釺焊到電路板35和在電路板35上構建的致動電路17 (柵極驅動器)。於是通過完全省略導線能減少導線電感，於是能夠實現高的開關速度和非常低的傳導損耗。
[0108]在圖示和描述的實施例中，大電流變壓器12的尺寸確定為用於在5V-10V輸出電壓下20kA的電流。工字梁25的整體高度為15cm，這樣，在兩側上，每側能布置5個具有環形芯15的二級繞組14。為了得到相應的100傳輸比，在圖示實施例中需要10個一級繞組13。
[0109]當大電流變壓器12現在其尺寸要確定為用於例如30kA的更大的電流時，可以簡單地增加所用二級繞組14的數量。例如，在工字梁25兩側的凹部25a中，每側可布置7個二級繞組14，其中工字梁25本身的高度相應地加大了，例如被設計為只是高5cm或者採用相應更大的基體。於是，為了能夠提供更大的電流，大電流變壓器12的工字梁25在其兩側增加了僅僅兩個二級繞組14。通過所述的布置，觸點冷卻表面也擴大了。進一步，相應增多的電路元件24將並聯布置。一級繞組13能被減少到更少的匝數，例如7匝，這樣實現了例如98的傳輸比。由於可能增加橫截面，並通過減少導線長度，增高的一級繞組損耗由增大的一級電流進行補償。
[0110]於是，二級焊接電流從20kA增加到30kA僅僅導致方盒或大電流變壓器12變長了例如5 cm。
[0111]由於大電流變壓器12優選地自動操作並且不包括控制線路，所以針對可能的錯誤信息的同外部部件(特別是控制裝置)的外出通信應該是能夠進行的。為此目的，能夠使用由二級繞組14、同步整流器16和致動電路17構成的二級電路。在某些狀態下，尤其是大電流變壓器12的空閒狀態，所述大電流變壓器12能夠使用同步整流器16有意識地短路，這樣，在一級線路中的空閒狀態電流流動能夠被外部監控單元或控制裝置檢測到，並因此，由於這個電流，能夠產生通信或錯誤信息。
[0112]例如，通過將溫度傳感器集成在大電流變壓器12中，尤其是在同步整流器16上，溫度得以檢測和評估。如果該溫度例如超過定義的閾值，那麼空閒狀態(即在焊接中止期間)中的同步整流器16被致動電路17定義為短路。由於外部控制裝置知道沒有進行焊接的空閒狀態，所以，其可以通過大電流變壓器12的一級線路中增加的電流流動檢測到或識別出。現在，能通過外部控制裝置檢查冷卻電路是否致動或顯示故障或者冷卻效率是否增力口，以進行更好的冷卻。
[0113]當然，經過相應的開關或脈衝樣式，即空閒狀態中同步整流器16的電路元件24的定義打開和閉合，能夠向外傳輸不同的錯誤信息。例如，能夠向外發出不同的溫度值、二級電壓、電流、錯誤信息等。
[0114]然而，這種通信在焊接過程中進行也是可能的，儘管這樣的檢測顯然更困難。例如，相應的信號能夠被調製到一級側電流上面，尤其是通過一級繞組13。
【權利要求】
1.一種電阻焊裝置(I)，包括為了給焊接工件(2，3)提供焊接電流的電源(10)和具有兩個槍臂(5)的焊槍(4)，每個槍臂(5)包括一個電極(7)以便將焊接電流壓入工件(2，3)中，其中，電源(10)包括大電流變壓器(12)、同步整流器(16)和電路(17)，大電流變壓器(12)具有至少一個一級繞組(13)和具有中心抽頭的至少一個二級繞組(14)，同步整流器(16)與大電流變壓器(12)的所述至少一個二級繞組(14)連接並包括電路元件(24)，電路(17)用於致動同步整流器(16)的電路元件(24)，其特徵在於，電源(10)布置在焊槍(4)上，電源(10)包括至少4個觸點(20，21，22，23)以形成多點接觸，其中，一種極性的兩個第一觸點(20，21)連接到一個槍臂(5)，而相反極性的另外兩個觸點(22，23)連接到另一個槍臂(5)。
2.如權利要求1所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，槍臂(5)不用導線地緊固到至少兩個觸點(20，21，22，23)。
3.如權利要求1或2所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，所述一種極性的兩個第一觸點(20，21)和相反極性的另外兩個觸點(22，23)均是彼此相對地布置，其中，所述另外兩個觸點(22，23)與所述兩個第一觸點(20，21)相比基本布置成彼此偏離90°。
4.如權利要求1到3任一項所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，同步整流器(16)和致動電路(17)集成在大電流變壓器(12)中。
5.如權利要求1到4任一項所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，同步整流器(16)包括並聯連接的多個電路元件(24)，同步整流器(16)的電路元件(24)無導線地與大電流變壓器(12)的所述至少一個二級繞組(14)連接。
6.如權利要求5所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，同步整流器(16)的電路元件(24)由場效應電晶體形成，其漏極由場效應電晶體的殼體形成，所述殼體無導線地連接到大電流變壓器(12)的所述至少一個二級繞組(14)。
7.如權利要求1到6任一項所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，大電流變壓器(12)包括串聯連接的多個一級繞組(13)，優選地至少10個一級繞組，並包括並聯連接的具有中心抽頭的多個二級繞組(14)，優選地至少10個二級繞組。
8.如權利要求1到7任一項所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，大電流變壓器(12)的傳輸比至少是10到1000，優選地至少100。
9.如權利要求1到8任一項所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，大電流變壓器(12)包括由導電材料製成的工字梁(25)，在工字梁(25)的凹部(25a)中布置至少一個相應的環形芯(15)，其中，每一個二級繞組(14)的一個相應連接件與工字梁(25)的一個內表面直接接觸，並且工字梁(25)的外表面(28)形成電源(10)的所述兩個第一觸點(20，21)。
10.如權利要求9所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，大電流變壓器(12)的所述至少一個二級繞組(14)的中心抽頭與工字梁(25)無導線地連接。
11.如權利要求9或10所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，大電流變壓器(12)的所述至少一個一級繞組(13)被布置為延伸穿過所述至少一個環形芯(15)。
12.如權利要求9到11任一項所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，相應的接觸板(29)設置在工字梁(25)的凹部(25a)的上方，接觸板(29)是由導電材料製成的，並經過同步整流器(16)和致動電路(17)與每個二級繞組(14)的相應的其他連接件連接，其中，接觸板(29)的外表面形成電源(10)的所述另外兩個觸點(22，23)。
13.如權利要求9到12任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，所述至少一個一級繞組(13)的連接件(26)被引入工字梁(25)的外表面(28)上的至少一個開口(27)。
14.如權利要求1到13任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，具有中心抽頭的每一個二級繞組(14)都由兩個金屬片(44，45)形成，兩個金屬片(44，45)彼此絕緣並由導電材料製成，具有圍繞環形芯(15)的橫截面並穿過環形芯(15)的基本上S形的鏡像顛倒路徑，其中，金屬片(44，45)的外表面(47)形成用於與同步整流器(16)的電路元件(24)或電極(7)連接的觸點。
15.如權利要求12到14任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，大電流變壓器(12)的工字梁(25)和接觸板(29)形成方盒或方石堆形的單元，其中，在工字梁(25)和接觸板(29)之間布置電絕緣。
16.如權利要求15所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，在工字梁(25)的前面布置蓋板(31)。
17.如權利要求16所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，蓋板(31)是由導電材料形成的並適合於螺紋連接 到接觸板(29)，使得接觸板(29)被電連接。
18.如權利要求9到17任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，用於形成大電流變壓器(12)的二級繞組(14)的工字梁(25)和/或接觸板(29)和/或蓋板(31)和/或金屬片(44，45)由銅或銅合金形成，優選地具有銀塗層。
19.如權利要求9到18任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，工字梁(25)和/或接觸板(29)至少部分地由槍臂(5)形成。
20.如權利要求12到19任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，在工字梁(25)的外表面上以及在接觸板(29)的外表面上，布置連接裝置(30)，優選地是具有用以接收螺釘的螺紋的鑽孔。
21.如權利要求1到20任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，在二級繞組(14)的連接件處，每處都布置電流換能器(18)，用於測量流經該二級繞組(14)的電流，所述電流換能器(18)與致動電路(17)連接。
22.如權利要求21所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，電流換能器(18)布置成相對於焊接電流的方向為基本上90°取向。
23.如權利要求21或22所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，每一個電流換能器(18)由殼體(34)屏蔽，優選地由導磁材料製成的屏蔽件(43)屏蔽。
24.如權利要求21到23任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，致動電路(17)被設計為在到達二級繞組(14)中的電流的過零點之前的預設時間點致動同步整流器(16)的電路元件(24)。
25.如權利要求12到24任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，用於供給冷卻流體的通道(39)布置在工字梁(25)和接觸板(29)中。
26.如權利要求25所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，用於供給冷卻流體的兩個入口(32)和用於排放冷卻流體的一個出口(33)布置在工字梁(25)的外表面(28)上，其中，冷卻通道(39)被布置為從每個入口(32)延伸到接觸板(29)然後經由工字梁(25)到達出口(33)。
27.如權利要求12到26任一項所述的電阻焊裝置(1)，其特徵在於，致動電路(17)和同步整流器(16)布置在至少一個電路板(35)上，所述至少一個電路板(35)布置在至少一個接觸板(29)的內表面上。
28.如權利要求27所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，同步整流器(16)和致動電路(17)的每一個電路板(35)都包括開口(37)，電路元件(24)布置在開口(37)的上方，並且在同步整流器(16)的電路板(35)的開口(37)的位置處，接觸板(29)的內表面包括凸起(36)，尤其是尖頂形的凸起，使得電路元件(24)能夠經由凸起(36)被無導線地接觸，其中凸起(36)伸進接觸板(29)內表面上的電路板(35)上的開口(37)中。
29.如權利要求28所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，由場效應電晶體形成的電路元件(24)的源極連接件經凸起(36)，尤其是尖頂形凸起，以導電和導熱的方式與接觸板(29)直接連接。
30.如權利要求28或29所述的電阻焊裝置(I)，其特徵在於，每一個電路板(35)都布置在工字梁(25)和接觸 板(29)之間，以形成電絕緣。
【文檔編號】H01F27/40GK104023894SQ201280064593
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年10月31日 優先權日:2011年10月31日
【發明者】伯恩哈德·阿特爾斯梅爾, 克里斯多福·舒爾茨希克, 約翰內斯·諾伊伯克, 斯特凡·沃爾夫斯格魯貝爾 申請人:弗羅紐斯國際有限公司