(57)【要約】【課題】各巻線における各ターンの間の絶縁性を確保しつつ、放熱性を向上させることができるリアクトル、および、当該リアクトルを備える溶接電源装置を提供する。【解決手段】リアクトル１０５において、螺旋状に巻回された第１巻線４１と、第１巻線４１の各ターンの間に各ターンが位置するように、螺旋状に巻回された第２巻線４５２とを備えた。第１巻線４１は、導体線４１ａを絶縁シート４１ｂで覆った被覆線である。第２巻線４２は、螺旋状に巻回された部分の少なくとも一部に絶縁被膜が形成されていない部分がある導体線である。または、第２巻線４２は、絶縁被膜が形成された導体線からなり、かつ、少なくとも一部の絶縁被膜が第１巻線４１の絶縁シート４１ｂより薄い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状に巻回された第１巻線と、
前記第１巻線の各ターンの間に各ターンが位置するように、螺旋状に巻回された第２巻線と、
を備え、
前記第１巻線は、絶縁被膜が形成された導体線からなり、
前記第２巻線は、螺旋状に巻回された部分の少なくとも一部に絶縁被膜が形成されていない部分がある導体線からなるか、または、絶縁被膜が形成された導体線からなり、かつ、少なくとも一部の絶縁被膜が前記第１巻線の絶縁被膜より薄い、
ことを特徴とするリアクトル。
【請求項２】
前記第２巻線は裸線である、
請求項１に記載のリアクトル。
【請求項３】
前記第１巻線の導体線と、前記第２巻線の導体線とは、断面積が異なる、
請求項１または２に記載のリアクトル。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のリアクトルを備える、
ことを特徴とする溶接電源装置。
【請求項５】
前記第２巻線に流れる電流の平均値は、前記第１巻線に流れる電流の平均値より大きい、
請求項４に記載の溶接電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気的に結合された一対の巻線を有するリアクトル、および、当該リアクトルを備える溶接電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば交流ＴＩＧアーク溶接用の溶接電源装置において、二次側インバータ回路にハーフブリッジ回路を用いる場合、二次側整流回路の正極側出力端子と二次側インバータ回路の正極側入力端子との間、および、二次側整流回路の負極側出力端子と二次側インバータ回路の負極側入力端子との間に、それぞれコイルが配置される。これらのコイルは、二次側整流回路から出力される直流電流のリップルを抑制して、電流を平滑化する。また、これらのコイルは、磁気的に結合されており、二次側インバータ回路の極性の切り替え時に、相互誘導によって誘導起電力を発生させることで電流の立ち上がりを補助して、極性の切り替えによるアーク切れを抑制する機能も有する。特許文献１には、２つのコイルが磁気結合されたリアクトルを備えた、交流アーク溶接機用の電源装置が開示されている。
【０００３】
このようなリアクトルとして、正極側のコイルとなる巻線と負極側のコイルとなる巻線とがそれぞれ、ソレノイドコイル状（螺旋状）にコアに巻回されたリアクトルが知られている。このようなリアクトルにおいては、各巻線において各ターンの間が電気的に接続してしまわないように、各巻線として絶縁被膜が形成された導体線が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９６９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、各巻線が絶縁被膜で覆われていることにより、放熱性が悪く、各巻線の温度上昇が問題になる。
【０００６】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、各巻線における各ターンの間の絶縁性を確保しつつ、放熱性を向上させることができるリアクトルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面によって提供されるリアクトルは、螺旋状に巻回された第１巻線と、前記第１巻線の各ターンの間に各ターンが位置するように、螺旋状に巻回された第２巻線とを備え、前記第１巻線は、絶縁被膜が形成された導体線からなり、前記第２巻線は、螺旋状に巻回された部分の少なくとも一部に絶縁被膜が形成されていない部分がある導体線からなるか、または、絶縁被膜が形成された導体線からなり、かつ、少なくとも一部の絶縁被膜が前記第１巻線の絶縁被膜より薄いことを特徴とする。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第２巻線は裸線である。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１巻線の導体線と、前記第２巻線の導体線とは、断面積が異なる。
【００１０】
本発明の第２の側面によって提供される溶接電源装置は、本発明の第１の側面によって提供されるリアクトルを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第２巻線に流れる電流の平均値は、前記第１巻線に流れる電流の平均値より大きい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、第２巻線は、螺旋状に巻回された部分の少なくとも一部で絶縁被膜が形成されていないか、少なくとも一部で絶縁被膜が第１巻線の絶縁被膜より薄くなっている。したがって、第１巻線の絶縁被膜と同じ厚さの絶縁膜が全体に形成されている場合と比較して、第２巻線の放熱性を向上させることができる。これにより、リアクトル全体の放熱性を向上させることができる。また、第１巻線には絶縁被膜が形成されており、第１巻線と第２巻線とは、第１巻線の各ターンの間に第２巻線のターンが位置するように螺旋状に巻回されており、いわゆるバイファイラ巻きになっている。したがって、第２巻線に絶縁被膜が形成されていない部分があったとしても、各ターンの間の絶縁性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係るリアクトルを用いた溶接電源装置を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係るリアクトルを示す正面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部拡大断面図である。
【図５】第１実施形態に係るリアクトルと、整流回路およびインバータ回路との接続方法を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係るリアクトルの変形例を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００１５】
図１は、第１実施形態に係るリアクトルを用いた溶接電源装置１００を示すブロック図であり、溶接システム全体の構成を示している。
【００１６】
図１に示す溶接システムは、溶接電源装置１００および非消耗電極式の溶接トーチＢを備える交流ＴＩＧアーク溶接システムである。溶接電源装置１００は、商用電源Ｄから入力される交流電力を変換して、出力端子ａ，ｂから出力する。一方の出力端子ａは、ケーブルによって被加工物Ｗに接続される。他方の出力端子ｂは、ケーブルによって溶接トーチＢの電極に接続される。溶接電源装置１００は、溶接トーチＢの電極の先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて、電力を供給する。当該アークの熱によって、溶接が行われる。
【００１７】
溶接電源装置１００は、整流平滑回路１０１、インバータ回路１０２、トランス１０３、整流回路１０４、リアクトル１０５、インバータ回路１０７、および制御回路１０８を備える。
【００１８】
整流平滑回路１０１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。インバータ回路１０２は、制御回路１０８から入力される出力制御駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、整流平滑回路１０１から入力される直流電力を高周波電力に変換して出力する。トランス１０３は、インバータ回路１０２が出力する高周波電圧を変圧して、整流回路１０４に出力する。トランス１０３の二次側巻線には、２つの出力端子とは別にセンタタップが設けられている。当該センタタップは、出力端子ｂに接続される。整流回路１０４は、トランス１０３から入力される高周波電力を直流電力に変換して出力する。
【００１９】
リアクトル１０５は、整流回路１０４が出力する直流電流のリップルを抑制し、電流を平滑化して、インバータ回路１０７に出力する。また、リアクトル１０５は、インバータ回路１０７の出力極性の切り替え時に、相互誘導によって誘導起電力を発生させることで電流の立ち上がりを補助して、極性の切り替えによるアーク切れを抑制する。リアクトル１０５の詳細については後述する。
【００２０】
インバータ回路１０７は、例えば、単相ハーフブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備える。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とは直列接続され、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点は、出力端子ａに接続される。スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２には、制御回路１０８から出力されるスイッチング駆動信号が入力される。インバータ回路１０７は、制御回路１０８から入力されるスイッチング駆動信号によってスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチングさせることで、出力端子ａの電位を、リアクトル１０５の正極側の出力端子の電位と負極側の出力端子の電位とで交互に切り替える。これにより、インバータ回路１０７は、出力端子ａ（被加工物Ｗに接続）の電位が出力端子ｂ（溶接トーチＢの電極に接続）の電位より高い状態である正極性と、出力端子ａの電位が出力端子ｂの電位より低い状態である逆極性とを交互に切り替える。つまり、インバータ回路１０７は、リアクトル１０５から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。一般的に交流ＴＩＧアーク溶接の場合、正極性の期間が逆極性の期間より長く、１周期のうち例えば７割程度が正極性の期間になる。また、溶接電源装置１００は、直流ＴＩＧアーク溶接にも用いることができる。この場合、インバータ回路１０７は、スイッチング素子Ｑ１がオンにされ、スイッチング素子Ｑ２がオフにされ、正極性が継続することになる。
【００２１】
制御回路１０８は、溶接電源装置１００を制御するための回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現される。制御回路１０８は、溶接電源装置１００の出力電流をフィードバック制御するための出力制御駆動信号を生成して、インバータ回路１０２に出力する。また、制御回路１０８は、溶接電源装置１００の出力極性を切り替えるために、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御するためのパルス信号であるスイッチング駆動信号を生成して、インバータ回路１０７に出力する。
【００２２】
なお、溶接電源装置１００は、出力極性が切り替わるときに出力端子ａ，ｂ間に高電圧を印加する再点弧回路や、サージ電圧を吸収するスナバ回路などを備えていてもよい。
【００２３】
次に、リアクトル１０５の詳細について説明する。
【００２４】
図２〜図５は、リアクトル１０５の構成を説明するための図である。図２は、リアクトル１０５を示す正面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部拡大断面図であり、図３の要部を拡大したものである。図５は、リアクトル１０５と、整流回路１０４およびインバータ回路１０７との接続方法を説明するための図である。
【００２５】
リアクトル１０５は、磁気的に結合された一対の巻線を有するリアクトルであり、一方の巻線を流れる直流電流が遮断されたときに、相互誘導によって、他方の巻線に誘導起電力を発生させることで、極性の切り替えによるアーク切れを抑制するための回路である。リアクトル１０５は、コア１、固定部材２、絶縁シート３１，３２、絶縁部材３３、および巻線部４を備える。図２〜図４においては、巻線部４の軸の方向（図２における左右方向）をｘ方向とし、ｘ方向に直交し、正面図（図２）において上下となる方向をｚ方向とし、ｘ方向およびｚ方向に直交する方向をｙ方向として説明する。
【００２６】
コア１は、カップリングを向上させるための磁性部材であり、巻線部４が巻回されている。コア１は、図２に示すように、ｙ方向視（正面視）において、ｘ方向に長い矩形の環形状である。コア１は、ｙ方向視においてＬ字形状の１対のコアブロック１１，１２およびスペーサ１３を備える。コアブロック１１とコアブロック１２とは、ｙ方向視において互いに点対象となるように組み合わせられて、全体として環形状のコア１になる。なお、コアブロック１１，１２の構成は限定されない。スペーサ１３は、コア１に所定幅の磁気的なギャップを形成するためのものであり、コアブロック１１とコアブロック１２との間に介在している。スペーサ１３は、例えば合成樹脂板などの非磁性体からなる。なお、スペーサ１３の材料は限定されず、コアブロック１１，１２より透磁率が低いものであればよい。なお、コア１の構成は限定されない。コア１は、スペーサ１３を用いず、コアブロック１１とコアブロック１２とを接触させた、ギャップのないコアであってもよいし、１つの部材で形成されてもよい。
【００２７】
固定部材２は、コアブロック１１，１２を固定することで、コア１を形成するためのものである。固定部材２は、２個のカバー２１、固定板２２および固定具２３を備える。２個のカバー２１および固定板２２は、スペーサ１３を介して組み合わされたコアブロック１１とコアブロック１２とを、各カバー２１の内側部分と固定板２２の一方の面との間に挟み込んで、固定具２３で固定される。なお、コアブロック１１，１２を固定する方法は限定されない。
【００２８】
絶縁シート３１，３２は、コア１と固定部材２とを絶縁するためのものである。絶縁シート３１は、コア１と固定板２２との間に介在し、コア１と固定板２２とを絶縁する。絶縁シート３２は、コア１と各カバー２１との間に介在し、コア１とカバー２１とを絶縁する。絶縁シート３１，３２は、例えば絶縁紙や合成樹脂製のシートなどの絶縁体からなる。絶縁部材３３は、コア１と巻線部４とを絶縁するためのものである。絶縁部材３３は、コア１と巻線部４との間に介在し、コア１と巻線部４とを絶縁する。絶縁部材３３は、ｘ方向に長い矩形状で厚みがあり弾力性のある板状部材であり、ほぼ直角に折り曲げられて、コアブロック１１の長手部分１１１のｘ方向視における４つの角部分にそれぞれ配置されている。絶縁部材３３は、例えば合成樹脂などの絶縁体からなる。なお、絶縁部材３３はこれに限定されず、コア１と巻線部４とを絶縁できればよい。例えば、１つの絶縁部材３３が、コアブロック１１の長手部分１１１のｘ方向視における全周を覆ってもよい。
【００２９】
巻線部４は、ソレノイドコイル状に形成されており、コア１の長手部分１１１に螺旋状に巻回されている。巻線部４は、第１巻線４１および第２巻線４２を備える。第２巻線４２は、例えばアルミニウム製の導体線である。第２巻線４２は、平角線であって、断面の長辺が例えば１５ｍｍで短辺が例えば２ｍｍの長矩形状である。なお、各寸法は限定されない。第２巻線４２は、絶縁シートで覆われていない裸線である。一方、第１巻線４１は、例えばアルミニウム製の平角線である導体線４１ａを絶縁シート４１ｂで覆った被覆線である。第１巻線４１の導体線４１ａの断面寸法は、第２巻線４２と同様である。第１巻線４１および第２巻線４２（導体線４１ａ）の材料は、アルミニウムに限定されず、銅などの他の導電材料であってもよい。絶縁シート４１ｂは、絶縁体であればよく、絶縁紙でもよいし、合成樹脂製のシートでもよい。本実施形態では、第１巻線４１は、導体線４１ａに、絶縁紙である絶縁シート４１ｂを螺旋状に巻きつけることで形成されている。第１巻線４１は、両端部分に、絶縁シート４１ｂで覆われていない接続端子４１１，４１２を備える。また、第２巻線４２は、両端部分に接続端子４２１，４２２を備える。
【００３０】
第１巻線４１の接続端子４１１および第２巻線４２の接続端子４２１は、巻線部４のｘ方向の一端側（図２においては左端側）の、ｚ方向一方側（図２においては上側）から、ｙ方向一方側（図２において手前側）に延びている。また、第１巻線４１の接続端子４１２および第２巻線４２の接続端子４２２は、巻線部４のｘ方向の他端側（図２においては右端側）の、ｚ方向他方側（図２においては下側）から、ｙ方向一方側に延びている。また、接続端子４１１，４１２および接続端子４２１，４２２は、それぞれ、接触による短絡を防ぐための筒状の絶縁部材４５に挿通されて、先端部分だけが露出している。
【００３１】
第１巻線４１および第２巻線４２は、いわゆるバイファイラ巻きにより、コア１の長手部分１１１に螺旋状に巻回されている。すなわち、第１巻線４１および第２巻線４２は、ｘ方向に並んで２本まとめて長手部分１１１に単層で巻回されており、ｘ方向において交互に位置するように巻回されている。つまり、第１巻線４１の各ターンの間に、第２巻線４２のターンが位置する状態になっている。また、第１巻線４１および第２巻線４２は、いわゆるエッジワイズ巻きにより巻回されている。すなわち、断面が長矩形状の平角線である第１巻線４１および第２巻線４２は、コア１に対して立てて（断面の短辺がｘ方向に平行になり、断面の長辺がｘ方向に直交するように）巻回されている。
【００３２】
図５に示すように、第２巻線４２の接続端子４２１は整流回路１０４の正極側出力端子に接続され、接続端子４２２はインバータ回路１０７の正極側入力端子に接続される。つまり、第２巻線４２が、正極側のコイルとして機能する。一方、第１巻線４１の接続端子４１２は整流回路１０４の負極側出力端子に接続され、接続端子４１１はインバータ回路１０７の負極側入力端子に接続される。つまり、第１巻線４１が、負極側のコイルとして機能する。第１巻線４１および第２巻線４２はバイファイラ巻きにより同じ方向に巻回されているので、正極側のコイルと負極側のコイルとで極性を逆にするために、図５のような接続になっている。
【００３３】
次に、本実施形態に係るリアクトル１０５の作用および効果について説明する。
【００３４】
本実施形態によると、第１巻線４１は導体線４１ａを絶縁シート４１ｂで覆った被覆線であり、第２巻線４２は絶縁シートで覆われていない裸線である。第２巻線４２は、絶縁シートで覆われていないので、放熱性が向上する。溶接電源装置１００は、交流ＴＩＧアーク溶接に用いられ、正極性の期間が逆極性の期間より長いので、第２巻線４２に電流が流れる時間の方が、第１巻線４１に電流が流れる時間より長くなる。したがって、第２巻線４２の方が第１巻線４１より電流の平均値が大きくなり、より多くの熱を発する。しかし、第２巻線４２の放熱性が向上しているので、第２巻線４２の温度上昇を抑制できる。よって、第２巻線４２の断面積を大きくしなくても、第２巻線４２の温度上昇を抑制可能である。発明者の実験によると、第２巻線４２を第１巻線４１と同様の被覆線とした場合、３００Ａの出力で使用するためには、第２巻線４２の断面を１５ｍｍ×３ｍｍ程度にする必要があったが、第２巻線４２を本実施形態のように裸線とした場合、断面を１５ｍｍ×２ｍｍ程度にすることができた。つまり、本実施形態によると、第２巻線４２の断面積を小さくできるので、材料のコストを抑制可能である。また、第１巻線４１と第２巻線４２との電流の平均値の差が小さい場合は、第２巻線４２は、放熱性が向上することにより、断面積を小さくすることが可能であり、材料のコストを抑制可能である。
【００３５】
また、第１巻線４１が被覆線なので、第１巻線４１と第２巻線４２とがバイファイラ巻きで巻回されても、第１巻線４１の導体線４１ａと第２巻線４２とを絶縁することができる。また、第２巻線４２の各ターンの間には、第１巻線４１のターンが位置する。したがって、第２巻線４２の各ターンの間の絶縁性を確保できる。さらに、第１巻線４１と第２巻線４２とがバイファイラ巻きで巻回されているので、第１巻線４１と第２巻線４２とのカップリングが向上される。
【００３６】
また、本実施形態によると、第１巻線４１および第２巻線４２は、いわゆるエッジワイズ巻きにより巻回されている。したがって、平角線をフラット巻きで多層巻きにした場合や、丸線を多層巻きにした場合と比べて、同じインダクタンスとする場合に、放熱性を向上させることができる。また、リアクトル１０５の小型化が可能である。
【００３７】
なお、本実施形態においては、第１巻線４１が絶縁シート４１ｂで覆われている場合について説明したが、これに限られない。第１巻線４１は、導体線を合成樹脂やエナメルでコーティングしたものであってもよい。また、本実施形態においては、第１巻線４１および第２巻線４２が平角線であり、いわゆるエッジワイズ巻きにより巻回されている場合について説明したが、これに限られない。例えば、第１巻線４１および第２巻線４２がフラット巻きで巻回されていてもよい。また、第１巻線４１および第２巻線４２は、断面が円形状の丸線であってもよいし、断面が正方形やその他の形状であってもよい。これらの場合でも、第１巻線４１が被覆線であり、第２巻線４２が裸線であり、第１巻線４１と第２巻線４２とがバイファイラ巻きで巻回されているので、第２巻線４２の各ターンの間の絶縁性を確保しつつ、第２巻線４２の放熱性を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態においては、第２巻線４２が裸線である場合について説明したが、これに限られない。例えば、第２巻線４２は、一部が絶縁被膜で覆われていてもよい。この場合でも、螺旋状に巻回された部分に絶縁被膜で覆われていない部分があれば、第２巻線４２の放熱性が向上する。また、図６に示すように、第２巻線４２は、第１巻線４１の絶縁シート４１ｂより薄い絶縁被膜で覆われていてもよい。図６において、第２巻線４２は、例えばアルミニウム製の平角線である導体線４２ａを、絶縁シート４１ｂより薄い絶縁被膜４２ｂで覆った被覆線である。この場合でも、第２巻線４２は、第１巻線４１と比較して、放熱性が向上する。また、第２巻線４２が、第１巻線４１の絶縁シート４１ｂと同じ厚さの絶縁被膜で覆われていても、少なくとも一部が絶縁シート４１ｂより薄い絶縁被膜で覆われていれば、同様である。なお、第２巻線４２の放熱性をより向上させるためには、第２巻線４２の全体を裸線とするのが望ましい。
【００３９】
また、本実施形態においては、第１巻線４１の導体線４１ａと第２巻線４２とが、同じ断面積である場合について説明したが、これに限られない。導体線４１ａの断面積と、第２巻線４２の断面積とは、異なっていてもよい。例えば、第２巻線４２の断面積を、導体線４１ａの断面積より大きくすることで、電気抵抗を小さくして、第２巻線４２からの発熱を抑制してもよい。この場合、第２巻線４２からの発熱を抑制し、かつ、第２巻線４２からの放熱を向上させるので、第２巻線４２の温度上昇をより抑制できる。
【００４０】
本実施形態においては、コア１が矩形の環形状である場合について説明したが、コア１の形状は限定されない。コア１は、円形の環形状、すなわちトロイダル形状であってもよい。また、コア１は、例えばＩ型、Ｅ型、またはこれらを組み合わせた形状であってもよい。また、コア１の断面の形状は、矩形状に限定されず、例えば円形状であってもよい。また、ギャップの有無や個数も限定されない。さらに、リアクトル１０５は、コア１を備えない、コアレスタイプであってもよい。これらの場合でも、第２巻線４２の各ターンの間の絶縁性を確保しつつ、第２巻線４２の放熱性を向上させることができる。
【００４１】
本実施形態においては、リアクトル１０５を備える、ＴＩＧアーク溶接用の溶接電源装置１００について説明したが、リアクトル１０５は、その他の溶接電源装置にも用いることができる。リアクトル１０５は、例えば、プラズマ溶接、ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接などのガスシールドアーク溶接にも用いることができる。ただし、ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接などの場合、逆極性の期間が正極性の期間より長いので、負極側の方が電流の平均値が大きくなる。したがって、負極側に第２巻線４２を接続して、正極側に第１巻線４１を接続する。つまり、電流の平均値が大きくなる側に、第２巻線４２を接続すればよい。
【００４２】
本発明に係るリアクトルおよび溶接電源装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るリアクトルおよび溶接電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００４３】
１００：溶接電源装置、１０５：リアクトル、１：コア、４１：第１巻線、４１ａ：導体線、４１ｂ：絶縁シート、４２：第２巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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