1.4 电焊机焊接电源设计方法
1.4.1 普通焊接电源的简易估算法
（1）设计方法一
①求铁心截面（S）：
式中，A为硅钢片宽度，B为叠厚。
②求每匝电压（E）：
式中，f为电源频率，f=50Hz；B'为硅钢片磁饱和感应强度，B'=11～15T。
③求一次线圈匝数：
式中，U1通常为220V或380V。
④求二次线圈匝数：
式中，U2通常为50～80V（大容量焊机选大值小容量焊机选小值）。
⑤求额定功率：一次额定功率P1：
二次额定功率P2：
求额定电流：
一次额定电流I1=P1×1000/U1
二次额定电流I2=P2×1000/U2
⑥求导线截面面积：一次导线截面面积S1：
二次导线截面面积S2：
⑦求焊条直径D：
⑧求二次侧在两个磁柱的匝数比：
设计实例：
已知：A=8cm，B=6cm，U1=220V，U2=60V，B'=1.2T。
根据以上数据计算其他参数：
S=AB=8×6=48（cm2）
E=4.44fB'S×0.0001=4.44×50×12×48×0.0001=12（V/匝）
N1=U1/E=220/12=18.3（匝）
N2=U2/E=60/12=5（匝）
N21=12（匝），N22=38（匝）
P1=3.5E2=3.5×122=0.5（kV·A）
P2=0.9P1=0.9×5=0.45（kV·A）
I1=P1×1000/U1=5×1000/220=2.27（A）
I2=P2×1000/U2=4.5×1000/60=7.5（A）
一次导线截面面积：
二次导线截面面积：
焊条直径D：
（2）设计方法二
①求变压器容量P焊：
由于变压器存在损耗，所以实际功率要有余量，工作电流为设计电流值，对于连续工作的焊机U取60～70V，对于点焊机类一般取5～10V。
②求变压器铁芯截面积S：
③求二次侧匝数N2：
式中，f为50Hz；B'选9000～15000Gs（1Gs=10-4T）（一般用手折硅钢片，如果一次或两次能折断，断口为粒状，则B'可选15000，如不能折断或多数折断则选9000）。
④求一次侧匝数N1：
⑤求一次侧电流I1：
导线电流值可查找导线截面积与电流值表。
经验：以上各种设计方法中，电流调节可采用粗调抽头和细调动铁芯方法。粗调抽头可根据一次侧电压设定，一般每20V设定一个抽头即可。关于细调动铁芯，也可根据窗口余量选择，铁芯截面积大，则调整范围就大；截面积小，则调整范围就小。
（3）设计方法三 对于特殊的电阻焊机，可用下面的方法进行计算。
①求变压器容量P焊：根据焊接所需的电流来确定。焊接细的铜线或粗的铜线，焊接薄的铁皮或厚的铁皮，所需电流都不同，因而变压器容量也不同。
②求变压器铁芯截面积S焊：按每匝电压来确定。大容量电焊机，二次侧线圈通常是一匝。如果焊接电压是5V，那么每匝即为5V。因为每匝电压越大，变压器容量也越大，当然焊接电流也大，有时仅需小的焊接电流，可以减小每匝电压。但二次侧电压不能太低，否则不能正常工作，为此将二次侧电压固定在5～6V。可以改变一次侧匝数，取得合适的每匝电压，获得合适的焊接电流。电源频率为50Hz，磁密度按10000Gs，铁芯的截面积S焊按下式计算：
式中，U2为二次侧电压，V；N2为二次侧匝数。
式中，二次侧匝数是根据每匝电压取得的，即二次侧匝数5～6/每匝电压。当需要求次级每匝准确电压（V）时，则可按下式计算每匝电压TV：
③求一次侧线圈匝数N1按下式计算：
要求焊接电流大小可以调节，通常二次侧电压必须能升高或降低。上面已讲过这种焊机二次侧通常是一匝，二次侧电压的改变必须借助调节一次侧匝数，所以在计算一次侧匝数时，必须取每匝电压最小值。因为每匝电压减少，变压器容量和焊接电流都减小，在电源电压不变的情况下，等于一次侧匝数增加了。
④求导线截面积：根据变压器容量和电源电压，算出一次侧电流：
一次侧电流密度一般取1.4～1.8A/mm2。
一次侧导线截面积=一次侧电流/一次侧电流密度（mm2）
根据上面所得数据，再将线圈几何尺寸和铁芯几何尺寸估算一下，就可以着手制作电焊机了。
注意：由于个人制作的电焊机，对某些参数要求并不是很严格，所以有时利用变压器或互感器、电动机的铁芯（如果使用电动机铁芯测算截面积时应排除铁芯轭的高度，只算有效尺寸）为焊机铁芯，再粗略地计算一下，稍微改动就可以制成一台电焊机。
以上算法都是按照自然冷却焊机算出的，当采用风冷散热时，可提高暂载率；电流调整抽头可按照180V、200V、220V、240V、300V、350V、380V、400V的方式设计，或者根据需要设计，并利用动铁芯或后面章节电子电路进行电流细调整。
1.4.2 普通电焊机线圈参考数据
上面介绍了焊接电源的简易设计方法，下面列举几种焊机的线圈数据，供设计时参考，如表1-4～表1-6所示。
1.4.3 抽头式弧焊变压器的专业设计与计算
前面介绍了维修级的简单计算方法，下面介绍焊机生产制造级的精确计算方法，供高级技术人员参考。
（1）主要技术性能参数 额定电压为220V/380V；额定电源频率为50Hz；额定焊接电流为160A；额定负载持续率为40%；电流调节挡数为6挡；电流调节范围为60～200A；空载输出电压≤80V；焊接电压为25～30V，一般取28V；效率≥70%，一般取75%～80%。
（2）铁芯截面的估算和确定
①铁芯柱直径DZ
（1-1）
式中 KD——经验系数，对单相双线圈，KD=5～5.6，对BX6系列弧焊变压器取KD=5；
PZ——每个铁芯柱的容量，PZ=Pe/2；
Pe——弧焊变压器的等效连续容量，kV·A。
按式（1-1）计算得DZ：
②铁芯柱截面积S'
叠压系数取Kn=0.95，得铁芯截面积S'：
采用铁芯片宽b=40mm，铁芯片叠厚t=80mm。
（3）空载电压的确定
（1-2）
式中 U0——空载电压，V；
Un——电弧工作电压，V；
Uf——电弧复燃电压，一般手工焊条Uf=40～70V。
按标准规定，当I＜600A时：
（1-3）
将Imax=200A代入式（1-3）得：
取Uf=60V，代入式（1-2）得U0：
在安全允许的情况下，为使引弧容量最大，取空载电压U0为55V，对小电流挡取U0=60V。
（4）圈线参数的计算 按变压器的基本公式：
（1-4）
（1-5）
式中 U1——一次侧电源电压，U1=220V/380V；
f——电源额定频率，f=50Hz；
B——铁芯磁通密度，T，采用D42或D43硅钢片，厚度为0.35mm或0.5mm，取B=13200T；
S——铁芯截面积，S=30mm2；
N1——一次侧线圈匝数。
计算得：
380V时
220V时
取N1=432匝（380V），N'1=250匝（220V）。
按变压器的基本公式：
（1-6）
计算得：
取N2=N'2=63匝。
各挡位线圈匝数的设置是参照手工接焊条直径大小所需的不同焊接电流确定的。
各挡电流大小为：
①一挡焊接电流In1=60A。
②二挡焊接电流In2=80A。
③三挡焊接电流In3=100A。
④四挡焊接电流In4=120A。
⑤五挡焊接电流In5=160A。
⑥六挡焊接电流In6=200A。
适用手工焊条直径分别为2mm、2.5mm、3.2mm、4.0mm、5.0mm、5.8mm。
计算各挡漏抗，按增强漏磁式弧焊接变压器外特性方程：
（1-7）
（1-8）
式中 XL——折合到二次侧回路的漏抗，Ω
由式（1-3）可得各电流挡电弧工作电压Un：
由式（1-8）得各电流挡漏抗XL：
计算各电流挡线圈分置比Fi：
（1-9）
式中 Fj——最小电流挡分置比（当全分置时，Fj=1，漏抗较大，焊接时输出最小的焊接电流）；
XLj——最小电流挡漏抗（XLj=XL1=0.9277Ω）。
将各电流挡漏抗（XLi）代入式（1-9）确定其余各挡的分置比Fi：
计算一次侧线圈匝数N1（N2=60匝、U0=60V/55V）：
（1-10）
式中 Km——耦合系数，Km随各挡耦合情况变化而变化，小挡Km=0.85～0.9，大挡Km=0.95～0.98。
为了改善小挡引弧条件，可采用理想特性，故N1（i）要稍小一些。代入式（1-10）得最小电流匝数N1（i）：
取N1（i）=333匝。
其余各电流挡匝数：
取Nn（i）=406匝。
各电流挡线圈分置匝数n'：
（1-11）
式中 n'——分置匝数；
ni1，ni2——同侧匝数；
Fi——分置比；
Ni——一次侧线圈串联总匝数。
计算得：
各挡同侧匝数：
线圈分布及抽头如图1-28所示。
图1-28 线圈分布及抽头
电源为220V时的计算方法与电源为330V时的计算方法相同，确定参数时需二者兼顾。
（5）线圈导线的选取
①二次线圈导线：按等效连续电流计算二次线圈导线截面积F2：
（1-12）
式中 Ie——额定焊接电流，Ie=160A；
Fse——额定负载持续率，Fse=40%；
j2——选定电流密度，j2=2.4A/mm2；
F2——二次线圈导线截面积。
将数据代入式（1-12）得：
选取SBECB3.55mm×6mm玻璃丝包扁铜线两根并绕。
实际二次线圈导线截面积：
式中，0.97是扁铜线圆角系数。
实际的电流密度j2：
②一次线圈导线：按变压器基本公式：
（1-13）
式中 Ki——空载电流系数（Ki=1.1～1.3）。
取I1=18A。
一次线圈导线截面积F1：
式中 j1——一次线圈电流密度，j1=2.5A/mm2。
选取SBECB1.95mm×3.5mm玻璃丝包扁铜线。
实际一次线圈导线截面积F1：
式中，0.97是扁铜线圆角系数。
实际一次线圈电流密度j1：
③各挡位焊接电流的大小，主要取决于其结构参数、一次侧线圈不同的分布及各抽头的连接，即按不同的争置系数而获得不同的漏抗，从而获得不同的电流。
漏抗可按下述经验公式求得，但须在试制后实测予以调整结构参数。
计算漏抗的经验公式：
（1-14）
（1-15）
式中 f——电源额定频率，f=50Hz；
N2——二次线圈匝数；
LP——线圈的平均匝长，LP=40.74cm；
δ1.2——两个铁芯柱之间的轴线距离，δ1.2=17.8cm；
A1——小线圈厚度，A1=8.3cm；
A2——大线圈厚度，A2=9.5cm；
Kg——焊机结构系数，Kg≤1，取Kg=1；
KR——洛氏修正系数，对抽头式，KR=1；
Fi——一次侧线圈分别绕在两个芯柱上的分置系数。
将数据代入式（1-15）得K：
将K值代入式（1-14）得XL：
将XL值代入式（1-7）得各挡电流In：
1.4.4 动铁芯漏磁便携式交流弧焊机的制造专业级设计与计算
目前，抽头便携式交流弧焊机应用比较广泛，由于该焊机的外特性比较平缓，且电流不能连续调节，因而其焊接工艺性能不太理想，下面以BX1-200型便携式交流弧焊机为例进行制造级别的设计计算。该焊机属于动铁分磁式，其初二次侧线圈采用全开式，且轭铁截面积小于柱铁截面积，这样就增强了漏磁，使其具有陡降外特性，从而满足了手弧焊接工艺的要求。改变动铁芯的位置，就能连续调节焊接电流的大小，而规范调节也方便。
（1）主要技术性能参数
额定输入电压（Uie）：380V。
额定频率（f）：50Hz。
额定焊接电流（Ife）：200A。
焊接电流调节范围（I）：60～200A。
额定负载持续率（FSE）：20%。
额定空载电压（U0e）：70V。
额定效率（
）：≥70%。
额定工作电压（Ufe）：28V。
绝缘等级：H级。
冷却方式：强迫风冷。
（2）参数计算
①二次侧额定输出功率（容量）：
②功率因数：
③一次侧输入容量：
④计算容量：
⑤一次侧额定工作电流：
⑥一次侧长时工作电流：
⑦二次侧长时工作电流：
（3）确定变压器铁芯参数 此变压器属单相芯片，活动铁芯片为矩形，铁芯材料为Z10，片厚为0.35mm。
①静铁芯净截面积：根据经验公式
②静铁芯宽度a及叠片厚度b：
取a=5cm，
铁芯毛厚
③动铁芯有效截面积：从获得的最小焊接电流来设计计算动铁芯尺寸，可应用下面经验公式：
式中，Ufmin为最小焊接电流Ifmin所对应的工作电压，当Ifmin=60A时，那么Ufmin=20+0.04Ifmin=20+0.04×60=22.4V；N1、N2分别为初次绕级组的匝数（后面计算）。
动铁芯的叠厚ad为：
动铁芯的毛厚a'd为：
④动铁芯与静铁芯之间的气隙δ0：根据经验δ0=2mm，即上、下气隙各留1mm。
（4）计算初二次侧线圈
①每伏电压所需要的匝数N0：
②初二次侧线圈的匝数：
取N1=256T。考虑到漏磁对空载电压的影响，取ΔU0=3V。
取N2=50T。
③计算初二次侧线圈导线截面积S1、S2，并取线规：
选用1.95mm×3.05mm规格的双玻璃丝包线，其实际截面积为S1s=5.74mm2，而实际电流密度为：
选用3.28mm×4.4mm规格的双玻璃丝包线，且两股并绕，其实际截面积为S2s=13.9×2=27.8mm2，实际电流密度为：
④进一步确定一次、二次绕组：一次绕组256T，分两组，上下芯柱各一组，每组128T，为筒形绕组，每层8T，共16层，密绕，上下芯柱上的两绕组串联。
二次绕组50T，分两组，上下芯柱各一组，每组25T，为筒形绕组，每层5T，共5层，密绕，上下芯柱上的两绕组串联。
（5）确定变压器总体尺寸 根据线圈尺寸、静铁芯尺寸、动铁芯尺寸等确定变压器总体尺寸。
（6）核算焊接电流
①计算焊机最小漏抗：
式中 L2p——二次侧线圈平均匝长，L2p=42.4cm；
b2——二次侧线圈厚度，b2=3.9cm；
δ12——初二次侧线圈之间距离，δ12=5.6cm；
H1——一次侧线圈的宽度，H1=2.8cm；
H2——二次侧线圈的宽度，H2=2.5cm；
f——电源频率，f=50Hz；
N2——二次侧线圈匝数，N2=50T；
u0——空气磁导率，u0=4π×10-9H/cm；
Kg——结构系数，取Kg=1；
KR——洛氏修正系数，KR=1-σ+0.35σ2。
那么KR=1-0.89+0.35×0.892=0.387235
②计算最大焊接电流：
此时由于动铁芯已被全部摇出，动铁芯所产生的附加漏抗可以忽略。
③计算铁芯产生的最大附加漏抗：
式中 f——电源频率，f=50Hz；
u0——空气磁导率，u0=4π×10-9H/cm；
Sd——动铁芯有效截面积；Sd=14.39cm2；
N2——二次侧线圈匝数，N2=50T；
δ0——静、动铁芯之间的气隙，δ0=0.2cm。
④计算最大漏抗：
⑤计算最小焊接电流：
式中 U0——最小焊接电流时的空载电压，一般U0=0.9U0e=0.9×70=63V；
Ufmin——最小焊接电流时的工作电压。
若按Ifmin=60A考虑，那么：
（7）变压器的技术经济指标 经计算后，其技术经济指标如下：
静铁芯质量：16.42kg。
动铁芯质量：0.91kg。
铁芯总质量：17.33kg。
一次侧线圈质量：5.49kg。
二次侧线圈质量：5.25kg。
线圈总质量：10.74kg。
铁铜用量比：1.61。
空载电流：3.48A。
功率：73.38%。
电流调节范围：58～209.8A。
1.4.5 储能式中频焊接机主电源的专业设计
储能式中频焊接机主变压器实际上是中频脉冲变压器，其具体设计过程如下：
（1）确定逆变器的主电路拓扑形式和工作频率 本电源主电路采用双管单端正激的拓扑形式，对于PWM主振频率为100kHz，然而采用两个单端正激逆变器相叠加，而且为“时序工作方式”，所以每一个逆变器的工作频率经过两分频后其工作频率为50kHz。
（2）计算变压器的变比 变比是指原边匝数N1与副边匝数N2的比值，用n表示，即n=N1/N2；逆变变压器的输入电压和输出电压一般都有一定的变化范围，确定变压器的变比须保证在最低输入电压时能输出所要求的最高电压Vomax，而这时，逆变器工作在最大占空比δmax条件下。最低输入电压Vimin决定了最低变压器原边电压Vimin，当然这时变压器的副边电压也是最低的，即V2min，这几个量应满足以下关系：
式中 VF——输出整流管的压降；
VX——输出绕组内阻上的压降。
对于输出电压较低的逆变器，VF与Vo可比，因而VF不能忽略；对于输出电压较高的逆变器，VF不太重要，可以不考虑。然而本电源是用于点焊过程，而且最大焊接电流达到600A，所以整流管的管压降不能不考虑在设计范围内。经过大量实验，负载电阻为0.025～0.05Ω，设计取负载电阻R=0.04Ω，焊接电流I=600A，因此，对于电源变压器次级而言，电流电压V1=V2max=0.04×600=24V，结合整流二极管压降和输出电缆压降；V1=2V，对于任何情况下，VX都应给予考虑，取电缆压降VX=2V，因此有Vo=24+2+2=28V。当原边电压最低时，变压器工作在最大占空比状态，又由于是两路双管单端正激电路叠加工作在“时序工作方式下”，那么，有δ=0.48×2=0.96。
因此根据公式有：
因此，中频变压器的变比n为11。
（3）确定铁芯的材料和最大工作磁密 根据变压器的工作频率和工作容量选择最合适的材料做成铁芯，从而可以确定铁芯截面有效系数K。考虑性能、成本和操作难易等具体情况，铁芯材料采用铁氧体，具体型号为国产MXO2000，形状为圆环形。该铁氧体材料相关参数为：Bm=3200Gs，Bd=1200Gs，居里温度=200℃，电阻率ρ=102Ω·cm；矫顽力=0.01kA/m；频率≤0.3kHz；μ=2000。
（4）确定导线密度j 根据工作频率f，考虑集肤效应，再根据变压器的散热条件和允许的温升，选择适当的导线电流密度j，对于自然冷却的高频逆变变压器，j最好不要超过3A/mm2，若有风冷，可以选j=3.5～6A/mm2。
由于本电源焊接过程持续的时间不是很长，即负载持续时间很短，电源的主电路在工作过程中，发热量根本就不大，发热量根本就来不及使焊机升温，然后逆变器又处于休止状态，所以电源采用自然冷却，然而逆变器的工作频率比较高（50kHz），因此取j=3A/mm2。
（5）确定窗口和系统Kc 一般的Kc选取范围是0.1～0.4，对小功率逆变器，导线可用漆包线，Kc值稍大一些，为0.3～0.4；对大功率逆变器，导线面积大，考虑集肤效应，一般选用宽钢带，绝缘材料占得多，再考虑骨架，Kc就比较小，一般为0.1～0.25；另外，对于绕组数量少的变压器，绝缘材料少，Kc值稍大一些，为0.25～0.4；相反地，对于绕组数量多的变压器，Kc值要小一些，为0.1～0.2。对于本电源，综合考虑实际情况，取Kc=0.25。
（6）变压器的效率 变压器的效率是由铁损Pt和铜损Pc决定的，因为温升的问题，在选择Bm和j时就分别限制了铁损Pt和铜损Pc，变压器的效率不能太低，否则发热严重，温升太高会使磁芯特性变坏，也会造成浪费。一般根据散热条件的不同，可选取η=95%～99%，对于本电源，变压器的负载持续率低，但是要保证工作非常稳定，那么选取η=80%。
（7）估算铁芯的面积乘积 利用公式：
经过计算：AaAd=40cm4。
（8）选择合适的铁芯型号和规格 根据求出的AaAd，就可以选择铁芯的型号和规格，铁芯的型号和规格一般都是标准的，实际的AaAd不一定正好符合我们的计算结果，我们应该取实际的AaAd稍大一点的铁芯。因此铁芯规格为DdH=60mm×37mm×20mm；采用两个环形磁芯合并使用，那么磁芯有效截面积Sa=KcAa=4.6cm2。
（9）求绕组的匝数 对于单端正激工作的变压器，有公式：
式中，Tcm为对应Vimin时的开通时间。
因此：
取N1为36T：
（10）求导线截面积并选择导线 导线的截面积由电流密度j和电流有效值I决定，原、副边导线的截面积分别为：
根据公式，选用ϕ0.35mm的漆包线14模作为主变压器的初级绕组，选用ϕ14mm的电缆作为主变压器的次级绕组。
（11）核算窗口占用系数K 实际的核算窗口占用系数K由下式给出：
因此K=0.11＜Kc=0.25，磁芯空间能满足绕组缠绕。
（12）计算励磁电感L1和励磁电流Ic 变压器的原边的电感量即为励磁电感L1，由下式给出：
变压器的励磁电流Ic为：
（13）计算变压器的损耗，估算温升 由于焊机负载持续率低，所以，本电源可以不考虑变压器温升问题。