具有轉動耦合器的超聲焊接裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲焊接裝置，該超聲焊接裝置具有用于產生高頻交流電壓的發(fā)生器、用于將交流電壓轉換成機械超聲振動的轉換器以及用于將超聲振動傳遞到待加工材料的超聲焊極，其中，轉換器和超聲焊極能轉動，而轉動耦合器設置在發(fā)生器和轉換器之間，用以將電能從固定結構傳遞到轉動結構，該轉動結構具有固定元件以及相對于固定元件能轉動的元件，其中，固定元件包括帶有兩個輸入端子的主電路，這兩個輸入端子通過具有N匝的第一線圈連接在一起，而轉動元件包括帶有兩個輸出端子的輔助電路，這兩個輸出端子通過具有M匝的第二線圈連接在一起，其中，第一線圈和第二線圈設置成當交流電壓施加于輸入端子時，由第一線圈產生的磁場在第二線圈內感應出交流電壓。
【專利說明】具有轉動耦合器的超聲焊接裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲焊接裝置，該超聲焊接裝置具有用于產生高頻交流電壓的發(fā)生器、用于將交流電壓轉換成機械超聲振動的轉換器以及用于將超聲振動傳遞到待加工材料的超聲焊極。在此情況下，轉換器和超聲焊極可轉動，而在發(fā)生器和轉換器之間設置有轉動耦合器。轉動耦合器用于將電能從固定結構傳遞到轉動結構，該轉動結構具有固定元件以及相對于該固定元件可轉動的元件。
【背景技術】
[0002]特別是在超聲焊極和借助變幅器能夠固定地連接到該超聲焊極的轉換器在處理操作過程中轉動的超聲焊接裝置的情況下，由一般是固定設置的發(fā)生器產生的交流電壓信號必須被傳遞到轉動的轉換器。
[0003]目前，為此主要使用電機械系統(tǒng)。在此情況下，通常使用汞浴，以無論設定的轉動角度如何都使固定元件和轉動元件之間接觸。
[0004]該方法的缺點在于特別是對于超聲應用必要的高轉換器電壓不再處于傳統(tǒng)的轉動耦合器的規(guī)格范圍內。此外，該技術不能再用于特別是較高的轉速，因為不再保證可靠的接觸。
[0005]此外，存在借助接觸刷或滑動環(huán)來操作的結構。

【發(fā)明內容】

[0006]將所述的現(xiàn)有技術作為基本出發(fā)點，本發(fā)明的目的因此在于提供一種超聲焊接裝置，該超聲焊接裝置具有轉動耦合器，該轉動耦合器特別適于超聲應用，即，該轉動耦合器在高頻和高轉速下可靠地傳遞信號，并且可在不改變幅度和/或相位的情況下傳遞信號。
[0007]根據本發(fā)明，該目的如下來實現(xiàn):固定元件具有帶有兩個輸入端子的主電路，這兩個輸入端子通過具有N匝的第一線圈連接在一起，而轉動元件具有帶有兩個輸出端子的輔助電路，這兩個輸出端子通過具有M匝的第二線圈連接在一起，其中，第一線圈和第二線圈設置成當交流電壓施加于輸入端子時，由第一線圈產生的磁場在第二線圈內感應出交流電壓。
[0008]因此，僅以電感方式實現(xiàn)固定元件和轉動元件之間的耦合。
[0009]在較佳的實施例中，固定元件和轉動元件均具有芯部，其中，第一線圈的各匝圍繞第一卷繞軸線卷繞到固定元件的芯部上，而第二線圈的各匝圍繞第二卷繞軸線卷繞到轉動元件的芯部上。
[0010]芯部較佳地包括高導磁性材料、最佳是鐵氧體。這加大了主電路和輔助電路之間的磁性耦合作用。
[0011]在較佳的實施例中，第一和第二卷繞軸線包括大于90度、較佳為大于150度、特別較佳為大于170的角度α，其中，兩個卷繞軸線最佳是彼此疊置。
[0012]該措施還進一步加大了主電路和輔助電路之間的耦合作用。[0013]第一或第二卷繞軸線位于轉動元件的轉動軸線上被證實是有利的。最佳的是兩個卷繞軸線均位于轉動元件的轉動軸線上，以容易地減少耦合器的角度關聯(lián)性。
[0014]在特別較佳的實施例中，固定元件和/或轉動元件包括大致旋轉對稱的半殼體。該第一和第二線圈分別設置在對應的半殼體內。最佳的是，半殼體具有從殼體底部大致垂直延伸并且使線圈各匝繞其卷繞的芯部。
[0015]最佳的是，如果固定元件以及轉動元件包括這種半殼體，這些殼體設置成使芯部彼此面對。
[0016]這種結構使得電信號的傳遞基本上與轉動角度無關。芯部較佳地由圓柱對稱構造構成，并且不具有任何側向切口，以使磁性的轉動角度關聯(lián)性減到最小。
[0017]在另一較佳實施例中，規(guī)定轉動耦合器具有用于調節(jié)固定元件和轉動元件之間的間距的裝置。由于主電路的主電感取決于該間距，所以可借助這種裝置來調節(jié)主電感。特別是當為超聲應用采用了這種轉動耦合器時，間距可設定成小到使主電感比所用的超聲發(fā)生器的內部電感大至少5倍、較佳為至少10倍。在此情況下，可以忽略轉動耦合器對發(fā)生器的反饋作用。
[0018]由于間距的減少會使主電感增大，所以對發(fā)生器的反饋隨著固定元件與轉動元件的間距而減小。然而，兩個元件之間的間距越小，對于兩個元件的支承安裝件的要求相應地越大，特別是在高轉速的情況下。
[0019]借助上述轉動耦合器，總是存在泄漏電感Ls，該泄漏電感由于在半殼體的兩個不同腔室內主繞組與輔助繞組分離并且由于其盤形形狀而不能被忽略。為了使轉動耦合器對待傳遞的信號的影響減到最小，較佳的實施例規(guī)定了主電路和/或輔助電路具有與第一或第二線圈并聯(lián)或串聯(lián)的補償電容。如果補償電容設置在主電路和輔助電路中，則其電容值較佳地選擇成相等。特別是當傳輸比不是I時，不相等的電容值也可以是有利的。
[0020]補償電容Ck計算為其中，角頻率是ω，泄漏電感是Ls，工作頻率為f，且 ω =2 f。
[0021 ] 在此情況下，Ls是指泄漏電感，而f是指工作頻率，即，在超聲應用中使用轉動耦合器的情況下，該工作頻率是發(fā)生器的頻率。使用補償電容是補償泄漏電感Ls的一種可行方式。也可設想其它補償電路。
[0022]有利地，N/M之比為0.75到1.5、較佳為0.9到1.1、特別較佳為約I且最好精確為I。
[0023]在較佳實施例中，轉動耦合器的主電感比發(fā)生器的電感大至少5倍、較佳是至少大10倍。這確保了不必補償主電感。然后，可容易地檢測到幅度電流，因為它不受轉動耦合器影響。
[0024]然后，在電氣系統(tǒng)中，發(fā)生器可基于與超聲振動的幅度成比例的值來調節(jié)該幅度。這對于總體結構的可靠性是大有裨益的。
[0025]在具有大的主電感的轉動耦合器的較佳實施例中，基本上對發(fā)生器沒有任何反饋作用。根據本發(fā)明的轉動耦合器確保在發(fā)生器的操作可靠性方面沒有差異?？墒沟脤D換器或超聲焊極造成破壞的風險減到最小。
[0026]此外，特別較佳的實施例規(guī)定將主電感選擇成使其起到用于產生高頻交流電壓的發(fā)生器的內部電感的作用。換言之，發(fā)生器不具有并聯(lián)的線圈。通常存在的并聯(lián)的線圈的任務由轉動耦合器的主電感接管?；旧?，如此修改的發(fā)生器可僅與轉動耦合器結合來執(zhí)行其功能。由此，能以較低成本來生產發(fā)生器。然而，應注意到轉動耦合器不再能與所有市售發(fā)生器一起使用，因為轉動耦合器的主電感對此會太小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]其它的優(yōu)點、特征和可能的用途將從較佳實施例的下述說明及相關的附圖中清楚地顯現(xiàn)出來，附圖中:
[0028]圖1a和Ib示出轉動耦合器的實施例的立體圖，
[0029]圖2示出通過圖1a和Ib中所示的實施例的剖視圖，
[0030]圖3示出根據本發(fā)明的轉動耦合器的T-等效電路圖，以及
[0031]圖4示出根據本發(fā)明的轉動耦合器的P1-等效電路圖。
【具體實施方式】
[0032]圖1a和Ib示出根據本發(fā)明的轉動耦合器I的立體圖。圖1a示出固定部分2的視圖，而圖1b示出轉動部分3的視圖。還可看到延伸穿過轉動耦合器、即穿過轉動部分3和固定部分2的通道5，借助該通道可供給例如冷卻劑的介質。轉動部分3具有連接突出部4。
[0033]如圖2中的剖視圖中最清楚可見，轉動耦合器包括固定部分2和轉動部分3。兩個部分各自呈芯部半殼體6、7的形式。半殼體具有芯部，該芯部呈中空圓筒體的形狀，并且不具有任何側向切口。
[0034]安裝在該芯部上的是對應的合適匝數(shù)的繞組線10、11，其中，每個繞組內的繞組阻抗盡可能小。變幅器芯部由高導磁性材料、較佳為鐵氧體制成。
[0035]兩個半殼體6、7旋轉對稱，并且各自具有大致環(huán)形的繞組空間8、9。
[0036]將較佳由耐高溫塑料材料制成的繞組本體裝入半殼體6、7的每個繞組空間8、9內。使每個繞組本體卷繞多匝。一般來說，兩個繞組本體內的匝數(shù)是相同的，但也可以設想兩個繞組本體內的匝數(shù)不同的使用狀況。
[0037]兩個半殼體6、7相對彼此定位成當轉動元件3、7相對于固定元件2、6轉動時，結構的磁性不改變。匝數(shù)應至少大到在期望的信號幅度和頻率下，芯部不進入飽和狀態(tài)。
[0038]兩個半殼體相對彼此的間距調節(jié)成設定轉動耦合器的主電感，該主電感至少比連接到輸入端子的發(fā)生器的內部電感大5到10倍。通過該措施，可以忽略轉動耦合器對發(fā)生器的反饋作用。
[0039]為了調節(jié)兩個半殼體相對彼此的間距，設置有調節(jié)裝置。該調節(jié)裝置包括位于套筒部13內的凹槽11以及通過該凹槽11配合到轉動部分內的螺紋孔內的螺釘12。呈凹槽11形式的構造使得與芯部半殼體固定的轉動部分3可以沿箭頭方向相對于套筒部13運動，因而，能夠調節(jié)兩個半殼體6、7之間的間距。套筒元件13與轉動部分3 —起相對于固定部分2轉動。因此提供了合適的軸承14。
[0040]圖3和4示出根據本發(fā)明的轉動耦合器的兩個等效電路圖，圖3示出T-等效電路圖，而圖4示出P1-等效電路圖。[0041]轉動耦合器具有兩個輸入端子E，E’和兩個輸出端子A，A’。
[0042]在圖3中，轉動耦合器由泄漏電感Las (輔助側)、LaP (主側)和主電感Lh構成。電流隔離通過具有傳輸比U的理想傳輸器來實現(xiàn)，該傳輸比U在較佳實施例中等于I。
[0043]通過所涉及的結構技術，泄漏電感為主電感的約5%到10%。泄漏電感幾乎與固定元件和轉動元件之間的空氣間隙的尺寸無關。由于泄漏電感Las (輔助側)、LaP (主側)使從發(fā)生器到轉換器的能量傳遞變差，所以需要補償泄漏電感。這通過與線圈串聯(lián)的補償電容Ckp (主側)和Cks (輔助側)來實現(xiàn)。
[0044]對轉動耦合器的前述說明總是關于如圖3中所示的T-等效電路圖。
[0045]然而，為了完整起見，須指出根據本發(fā)明的轉動耦合器也能以P1-等效電路圖的形式示出。在該圖中，將主電感分成兩個子電感L1^PLp在此，僅有一個泄漏電感La。泄漏電感補償通過并聯(lián)的電容Ckp和Cks以及串聯(lián)的電容CKa來實現(xiàn)。
[0046]補償網絡的阻抗選擇成:至少在操作頻率Ftl、例如30kHz下，確保在幅值上與泄漏電感的阻抗相同，但符號相 反，因而補償了泄漏電感的阻抗。
【權利要求】
1.一種超聲焊接裝置，所述超聲焊接裝置具有用于產生高頻交流電壓的發(fā)生器、用于將交流電壓轉換成機械超聲振動的轉換器以及用于將超聲振動傳遞到待加工材料的超聲焊極，其中，所述轉換器和所述超聲焊極能轉動，而轉動耦合器設置在所述發(fā)生器和所述轉換器之間，用以將電能從固定結構傳遞到轉動結構，所述轉動結構具有固定元件以及相對于所述固定元件能轉動的元件，其中，所述固定元件具有帶有兩個輸入端子的主電路，所述輸入端子通過具有N匝的第一線圈連接在一起，而所述轉動元件具有帶有兩個輸出端子的輔助電路，所述輸出端子通過具有M匝的第二線圈連接在一起，其中，所述第一線圈和所述第二線圈設置成當交流電壓施加于所述輸入端子時，由所述第一線圈產生的磁場在所述第二線圈內感應出交流電壓。
2.如權利要求1所述的超聲焊接裝置，其特征在于，所述固定元件和/或轉動元件包括大致旋轉對稱的半殼體，所述第一和/或第二線圈分別設置在對應的半殼體內，較佳地，所述半殼體具有從殼體底部大致垂直延伸的芯部。
3.如權利要求1和2中任一項所述的超聲焊接裝置，其特征在于，設置有用于調節(jié)所述固定元件和所述轉動元件之間的間距的裝置。
4.如權利要求1至3中任一項所述的超聲焊接裝置，其特征在于，所述主電路和/或所述輔助電路具有相對于第一或第二線圈并聯(lián)或串聯(lián)的補償電容，所述補償電容較佳地具有計算為Ck:= 的電容CK，
ω ζ'ν 其中，角頻率為ω，泄漏電感為Ls。
5.如權利要求1至4中任一項所述的超聲焊接裝置，其特征在于，N/M之比為0.75到1.5、較佳為0.9到1.1、特別·較佳為約I且最好精確為I。
6.如權利要求1至5中任一項所述的超聲焊接裝置，其特征在于，所述轉動耦合器的主電感比所述發(fā)生器的電感大至少5倍、較佳為至少大10倍。
7.如權利要求1至6中任一項所述的超聲焊接這種，其特征在于，用于產生高頻交流電壓的所述發(fā)生器不具有并聯(lián)的線圈，并且所述轉動耦合器的主電感用作所述發(fā)生器的電感。
8.如權利要求1至7中任一項所述的超聲焊接這種，其特征在于，所述固定元件和所述轉動元件均具有芯部，其中，第一線圈的各匝圍繞第一卷繞軸線卷繞到所述固定元件的芯部上，而第二線圈的各匝圍繞第二卷繞軸線卷繞到所述轉動元件的芯部上，第一和第二卷繞軸線包括大于90度、較佳為大于150度、特別較佳為大于70的角度α，并且最佳是相坐寸ο
【文檔編號】B23K20/10GK103582540SQ201280026459
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年5月29日 優(yōu)先權日:2011年5月30日
【發(fā)明者】D·尤茨扎 申請人:海爾曼超聲波技術兩合有限公司