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Die Erfindung betrifft eine Schweißstromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Schweißstromquellen bekannt, welche einen PFC (Power Factor Corrector), einen primären und einen sekundären Inverter sowie eine Brückenschaltung aufweisen. Schweißgeräte bzw. Schweißstromquellen weisen zwei Hauptschaltungen auf: Der primäre Inverter bzw. Primärinverter überträgt die Energie von einem primären Kreis zu einem sekundären Kreis bzw. Sekundärkreis, welcher diese Energie gleichrichtet oder wechselrichtet. Gewöhnlich werden die zwei Schaltungen von einer Steuerung separat gesteuert und die zwei Hauptschaltungen erhalten von der Steuerung die entsprechenden Befehle.
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Die
EP 2 942 142 A2 beschreibt ein Verfahren zum Regeln einer Schweißstromquelle mit einem Seriell/Parallel-Resonanzkonverter, einer Brückenschaltung und einer Steuereinheit.
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Aus der
EP 1 251 991 B1 ist ein Verfahren zum Regeln einer Schweißstromquelle mit einem Resonanzkreis bekannt.
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Nachteilig bei bekannten Schweißstromquellen sind hohe Sekundär-Durchgangsverluste und der große Platzbedarf der Kerne der Transformatoren und der PFC-Drosseln.
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Ausgehend von den zuvor beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schweißstromquelle bereitzustellen, in der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Schweißstromquelle nach Anspruch 1. Erfindungsgemäß umfasst die Schweißstromquelle einen Primärkreis mit einem primären Inverter; einen Sekundärkreis mit einem sekundären Inverter und einer Brückenschaltung; wenigstens einen Haupttransformator und wenigstens einen Hochfrequenztransformator. Der Kern des jeweiligen Hochfrequenztransformators besteht dabei aus Nanokristallen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für einen Betrieb des Lichtbogens die Spannungsfläche des Hochfrequenztransformators möglichst groß sein sollte. Wie nunmehr erkannt wurde, indem der jeweilige Kern des Hochfrequenztransformators aus Nanokristallen besteht.
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Vorteilhafterweise weisen die Nanokristalle jeweils einen hohen Induktivwert zwischen 70 und 90µH (microHenry) per Windung (Al Wert) für eine Primärinduktivität von 25µH und eine sekundäre Induktivität von 3,6mH (milliHenry) auf.
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Durch den hohen Induktivwert wird der Magnetisierungsstrom beim Primärstrom vernachlässigbar. Als Folge ist zu nennen, dass die Magnetisierungsverluste sehr stark reduziert werden. Dazu kommt ein mechanischer Vorteil, sodass der Querschnittvorteil 1/4 gegen Kerne aus Ferrit zu rechnen ist. Dies führt auch zu einem kleineren Umfangkreis der Wicklung, die wiederrum niedrige Widerstandverluste aufweist.
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Vorteilhafterweise ist der jeweilige Kern als gewickeltes Band gebildet. Das Band hat bevorzugt eine Breite zwischen 15 mm und 25 mm, insbesondere 20 mm. Das Band hat bevorzugt eine Dicke zwischen 20 und 30µm, insbesondere 25 µm. Bevorzugt ist das Band mit einer Dichtung von mehr als 80% gewickelt.
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Der jeweilige Kern umfasst bevorzugt Teilchen aus der Gruppe: Fe, Si, Nb, Cu, B. Besonders bevorzugt ist die Komposition Fe, Si, Nb, Cu, B.
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Der Hochfrequenztransformator ist bevorzugt als Hochspannungstransformator und/oder Zündtransformator ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführung der Schweißstromquelle ist der PFC-Induktor und/oder der Inverter und oder ein EMC-Filter mit Nanokristallen gebildet.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die Verwendung von Nanokristallen der entsprechende Hochfrequenztransformator kompakt gebaut werden kann und einen niedrigen Sekundär-Durchgangsverlust aufweist. Weiterhin kann auf diese Weise ein geringeres Gewicht des Hochfrequenztransformators erzielt werden.
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Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Nanokristallkernen im HF-Transformator, wobei der Sekundärwicklungsumfang eine große Rolle an den Verlusten spielt. Nicht zu unterschätzen ist die Spannungsflächen-Übertragungsmöglichkeit, die sich sehr gut für die Wiederzündung des AC-Lichtbogens eignet. Die AC-Wiederzündung (von der positiven Halbwelle) wirkt beispielsweise mit 150 - 350V. Um diese Spannung zu erzeugen und für eine ausreichende Zeit zu halten bis zur nächsten Lichtbogen-Zündung, ist die Kern-Spannungsfläche aufgrund ihrer Übertragungsmöglichkeit relevant.
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Die Balance einer kleinen Umfangslänge und einer großen Spannungsfläche ist in dem HF- Transformator entscheidungsrelevant für die Realisierung einer hochwertigen Schweißeigenschafft und gleichzeitig einer kompakten, leichten, und preiswertigen Anlage. Die WIG AC (Wolfram Nadel mit Intertgas) Schweißqualität wird merklich verbessert, da die positive Halbwelle nicht mehr aussetzen kann.
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Die Verwendung von Nanokristallen im PFC-Induktor führt zu einer Reduktion in Größe und Gewicht und damit zu einer Effizienzsteigerung. Die Verwendung von Nanokristallen in einem EMC-Filter führt zu einer Reduktion in Größe, Gewicht und stellt eine verbesserte Dämpfungswirkung bereit. Die Verwendung von Nanokristallen im Inverter führt zu einer Reduktion in Größe und Gewicht und führt zu einer Effizienzsteigerung.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Dabei zeigen zum Teil schematisch
- 1 eine explosive Darstellung von elektronischen Komponenten einer Schweißstromquelle,
- 2 die Komponenten gemäß 1,
- 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Komponenten,
- 4 ein Schweißgerät mit zwei Elektroden,
- 5 ein Diagramm und
- 6 ein Spannungsflächendiagramm.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind elektronische Komponenten einer Schweißstromquelle 2 dargestellt, welche eine Hauptplatine 6, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 10, zwei Haupttransformatoren eines Inverters 14, einen PFC-Induktor 18, einen EMC-Filter 22, einen PFC Halbleiter 26, einen Inverter-Halbleiter 30, eine HF-Transformator-Platine 34 mit einem HF-Transformator 90 (siehe 6) mit Kernen 50 als Nanokristallen und eine Schaltplatine 40 aufweist. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 10 erlaubt die Einstellung von Parametern und das An- bzw. Ausschalten der Schweißstromquelle. In 2 ist die Schweißstromquelle 2 in einer weiteren Darstellung gezeigt.
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3 (vgl. 2) zeigt die Schweißstromquelle 2 in einem Blockschaltbild. Die Schweißstromquelle 2 umfasst einen Brückengleichrichter 60 und eine Startstromquelle 64, welche verwendet wird, um den Inverter an das Netz anzuschließen. Die Schweißstromquelle 2 umfasst weiterhin zwei Leistungsinduktoren 68, 72, einen primären Inverter 76, einen sekundären Inverter 80, zwei Haupttransformatoren 84, 88, einen HF-Transformator bzw. Hochfrequenztransformator 90, der verantwortlich für die Zündung und Spannungserzeugung ist und einen Ausgang 96
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Die 4 zeigt schematisch ein Schweißgerät 300 mit einer ersten Schweißelektrode 306 und einer zweiten Schweißelektrode 312, welche die Masse-Elektrode ist und mit dem Werkstück verbunden wird. Die erste Schweißelektrode dient als Brenner. Zwischen den beiden Elektroden liegt eine Spannung U an.
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In der 5 ist in einem Diagramm auf einer y-Achse 316 diese Spannung U im Verhältnis zur Zeit t auf einer x-Achse 320 abgetragen. Eingezeichnet sind verschiedene Geraden, die zu unterschiedlichen Winkeln α gehören und jeweils unterschiedliche lineare Spannungsanstiege als Funktion der Zeit repräsentieren.
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Dabei gilt α = x * ((n * LTORCH + LGND)).
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Der Winkel α ist somit proportional (Proportionalitätsfaktor x) zu der gewichteten Summe (Faktor n) der beiden Schweißelektroden 36, 312 bzw. Kabeleigenschaften. Die Spannung U steigt somit proportional mit der Zeit in Abhängigkeit von den beiden Induktivitäten der beiden Schweißelektroden 306, 312.
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In der 6 sind übereinander als Funktion der Zeit ein Eingangssignal bzw. Eingangsimpuls 326 und zwei Spannungsflächen 330, 334 dargestellt.
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Die Spannungsfläche 334 entspricht dabei schematisch der eines Ferritkerns, während die Spannungsfläche 330 einem Kern aus Nanokristallen entspricht. Die jeweilige Spannungsfläche entspricht dabei dem Produkt aus Spannung und Zeit. Die Spannungsfläche 330 beim Kern 50 aus Nanokristallen ist größer, da sie ein längeres Zeitintervall umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schweißstromquelle
- 6
- Hauptplatine
- 10
- Mensch-Maschine-Schnittstelle
- 14
- Inverter
- 18
- PFC-Induktor
- 22
- EMC-Filter
- 26
- PFC Halbleiter
- 30
- Inverter Halbleiter
- 34
- HF-Transformator-Platine
- 40
- Schaltplatine
- 50
- Kern
- 60
- Brückengleichrichter
- 64
- Startstromquelle
- 68
- Leistungsinduktor
- 72
- Leistungsinduktor
- 76
- primärer Inverter
- 80
- sekundärer Inverter
- 84
- primärer Transformator primäre Spannungsquelle
- 88
- primärer Transformator
- 90
- Hochfrequenztransformator
- 96
- Ausgang
- 300
- Schweißgerät
- 306
- Schweißelektrode
- 312
- Schweißelektrode
- 316
- y-Achse
- 320
- x-Achse
- 326
- Eingangsimpuls
- 330
- Spannungsfläche
- 334
- Spannungsfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2942142 A2 [0003]
- EP 1251991 B1 [0004]