使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器及其生产方法与流程

电气工程涉及使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器(3D-transformer)及其生产方法。

背景技术：

变压器是这样的一种装置，其用于调节电压以适应不同电器所需要的电压，或基于磁路原理通过改变电压和电流两者来将功率从一个电路传递到具有相同频率的另一个电路，当根据法拉第定律由交流诱导时所述磁路产生感应电压。变压器的结构由卷绕在铁芯上的两个线圈构成。电流供应到其的线圈被称为初级线圈，以及连接到负载的线圈被称为次级线圈。在由交流诱导时，初级线圈接收交流电动势，根据法拉第定律产生感应电动势。感应电动势的强度取决于在芯上的线圈绕组的数量、芯的横截面面积和从交流变化的磁通密度。当电流流经线圈时，在铁芯中产生磁通。通常，所述磁通在铁芯内受到限制并可基于所接收到的电波的形状而变化。磁通变化到线圈将导致在次级线圈处的感应电动势。

当设计变压器、尤其是大的变压器时，将考虑的一个重要因素是通常由硅钢片构成的铁芯。通常，铁芯可通过两种方法生产，即通过层叠硅钢片(层叠芯)以及通过卷绕硅钢片(卷绕芯)。芯损耗也应考虑在内，因为这会显著影响每种类型的变压器的效率。因此，在铁芯的设计方面在不断发展以提高其质量和最小化铁芯中的功率损耗。关于铁芯的这种发展的核心通常集中于两个要素上：用于制造铁芯的材料，其将最小化磁滞损耗和涡流损耗；以及铁芯的形状，其将提供最佳的结构和电气平衡，具有最小的气隙(air gap)和易于制造。

在传统上，基于组装方法存在两种类型的铁芯，即堆叠芯和卷绕芯。堆叠芯的问题是芯的层可能会堆叠地不够紧密，形成气隙，其在磁场的方向和电路之间导致不一致性。卷绕芯通过将硅钢片卷绕成特定形状而制成，从而最小化磁路中的气隙。然而，在三相变压器中，两种铁芯都通常将以导致结构和电气不平衡的二维布置而布置在平面内。

三维卷绕芯由Jonas于1880年首先发明，Jonas是瑞典的一名工程师和发明家，他创建了用于三相变压器的基础，所述三相变压器具有最佳的结构和电气平衡，其铁芯是三维类型的(其中三个铁芯以具有三个侧面的三维布置而布置并且每个芯单独卷绕)。然而，这样的生产方法由于技术限制和生产成本高而不能被商业化实施。

在2001年的号为EP1277217B2的欧洲专利中建议了关于三维卷绕芯的另一发展，其中所述三维铁芯通过组装三个铁芯而制成，由此提供附加的角度，从而形成具有六边形横截面的铁芯。然后通过使用专门的线圈卷绕机围绕铁芯卷绕线圈。但是，这种类型的铁芯的缺点是在损坏线圈的情况下也不可能移除线圈来进行修理。此外，变压器的最佳操作效率不能由六边形横截面达到，并且来自芯的成角度形式也需要用于芯卷绕的相当长的铜线。

根据一些研究，最有效的铁芯是具有圆形横截面的铁芯，其将导致接近100％的填充因子。然而，制造方法仍然复杂和昂贵，例如，在号为CN2508364Y的中国专利中建议了铁芯的准圆形横截面，指出其制造方法需要用于提升线圈和用于支撑沉重的铁芯的设备和机器。此外，其上具有卷绕线圈的铁芯必须进行干燥过程以去除绝缘层中的水分，并且一旦粘合剂固化时将菱形网点纸上的粘接剂熔融以便其完全粘附到线圈。该过程需要用于干燥过程的相当大的精力和更多的时间。同样，如前面所提及的那样，如果线圈被损坏，则不可能将线圈从铁芯移除，导致需要更换整个变压器。

为了解决上述问题，如在号为CN2770055Y的中国专利中所示那样开发了具有近似圆形的横截面的能打开的三维卷绕芯，其一旦打开就具有U形形状。根据该专利文件，该三维铁芯通过下述生产：卷绕铁芯；将它们以三维布置组装；使得组装的芯进行退火处理；由专门的设备分一层或多层切割铁芯的顶部；以及打开芯成U形以将线圈装配在铁芯周围。遗憾的是，围绕铁芯装配线圈的这种方式是成问题的，其原因在于所述铁芯在打开成U形时必须变形，在硅钢片中导致残余应力，其导致相当大的芯损耗，使得其不适合商业用途。

根据号为CN101276678A的中国专利，这种铁芯的进一步发展是具有椭圆形横截面的铁芯，其也可打开成U形。其整体外观类似于中国字口以及芯邻近彼此布置类似于中国字日(即，以二维布置而布置在平面内)。这样的芯通过下述生产：用能够切割硅钢片的折线切割机切割硅钢片，使得其一旦卷绕具有椭圆形横截面；用芯卷绕机卷绕接头硅钢片；以及将由一个卷绕的凹的椭圆形铁芯和一个凸的椭圆形铁芯装配以形成一个椭圆形的铁芯。一旦组装，三个铁芯的横截面就具有椭圆形的形状。然后铁芯打开成U形，以将线圈装配在铁芯周围。遗憾的是，本发明的一个缺点是椭圆形的横截面使得填充因子低于圆形横截面。日形布置也将导致结构和电气不平衡。此外，将线圈围绕铁芯装配的这种方式是成问题的，其原因在于所述铁芯在打开成U形的过程中必须变形，在硅钢片中导致残余应力，其导致相当大的芯损耗，使得其不适合商业用途。

为了解决上述问题，开发出本发明的使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器。

技术实现要素：

本发明涉及使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器，以及用于生产所述三维变压器的方法。本发明的目的是使用可移除和可插入的卷绕芯通过下述提高三维变压器的质量，即减少磁路中的气隙以最小化磁路的磁阻，从而导致磁场方向和电路中电流的方向之间的更大的一致性；降低变压器的运行噪声；以及降低芯损耗。根据本发明，铁芯的横截面为近似圆形的，其增大填充因子，从而导致变压器的效率更高。此外，本发明的铁芯可被移除并插回到线圈内，而无需打开铁芯成U形，不会在硅钢片内产生残余应力，在硅钢片内产生残余应力会影响铁芯中的芯损耗。根据本发明移除芯并将芯放回的可能性将有利于变压器的运输和生产。此外，在损坏线圈的情况下，铁芯可被移除以便更容易维护，不像传统的具有卷绕芯的三维变压器，其要求对于相同的情况更换整个变压器，这是困难的和昂贵的。本发明还涉及用于生产三维变压器的简化方法，其能够降低生产成本和减少生产步骤。

根据本发明，使用具有近似圆形横截面的铁芯的变压器能够提高变压器的效率、降低具有或不具有负载的芯损耗、减少振动以及由此产生结构和电气平衡。上述优势导致更好地节约电、降低二氧化碳排放、更高的结构强度、更好地阻止电短路、更安静的操作和电网的更好的稳定性。

附图说明

图1示出使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器。

图2示出三维变压器的可更换和可插入的卷绕芯。

图3示出三维变压器的可更换和可插入的卷绕芯的横截面。

图4示出沿着图3的线A-A的三维变压器的可更换和可插入的卷绕芯的横截面。

图5示出三维变压器的可更换和可插入的卷绕芯的分步搭接。

图6示出用于生产三维变压器的梯形硅钢片。

图7示出切割和卷绕硅钢片的步骤。

图8示出具有通过分步搭接的环形铁芯。

图9示出将铁芯压成矩形铁芯。

图10示出将铁芯插入到线圈内。

图11示出具有近似椭圆形横截面的环形铁芯。

图12示出给线圈提供的调节杆。

图13示出处于倒三角形结构的结合线圈的布置。

图14示出使用半圆形夹具和支撑基座将矩形铁芯插入到线圈内。

图15示出结合线圈旋转120度。

具体实施方式

本发明将通过参考附图作进一步的解释说明。

图1至图4示出根据本发明的使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器。根据本发明的三维变压器包括铁芯(1)，其具有三条支脚(1.1)，连接支脚(1.1)的轭铁(1.2)和线圈(2)。

根据本发明，支脚(1.1)具有近似圆形的横截面，连接所述支脚(1.1)的轭铁(1.2)具有接头(1.3)，其允许通过在支脚(1.1)和轭铁(1.2)之间连接的连接部分(1.4)处轻微拉动而打开和闭合芯，以打开接头(1.3)，从而将所述铁芯(1)可移除地插入到所述线圈(2)内。在其中所述支脚(1.1)具有近似圆形横截面的一个实施例有利地赋予高的填充因子，同时轻微拉动连接所述支脚(1.1)和所述轭铁(1.2)的连接部分(1.4)有利地不产生残余应力。

根据本发明的三维变压器的可更换和可插入的卷绕芯的图2和图5示出铁芯(1)具有三条支脚(1.1)，连接所述支脚(1.1)的轭铁(1.2)，其具有接头(1.3)，并且还示出连接支脚(1.1)和轭铁(1.2)的连接部分(1.4)，和所述接头(1.3)，其是分步搭接接头(如图5中所示)。根据该实施例，为分步搭接接头的接头(1.3)有利地提供低的芯损耗。

根据本发明，铁芯(1)可有利地根据需要与干式变压器、油式变压器或气体式变压器一起使用。

现在将描述用于使用可移除和可插入的卷绕芯的三维变压器的生产方法。用于生产所述三维变压器的方法包括；制备硅钢片；将硅钢片切成梯形形状，其具有约10米至700米的长度(如图6中所示)；切割和卷绕硅钢片以获得具有接头(1.3)的圆形铁芯(如图7和图8中所示)；将所获得的圆形铁芯压成矩形铁芯，其包括支脚(1.1)和轭铁(1.2)(如图9中所示)；将矩形铁芯退火；以及将矩形铁芯插入到线圈(2)内(如图10中所示)。

根据本发明，将矩形铁芯插入到线圈(2)内是通过下述方式进行的，即在连接部分(1.4)处稍微拉动芯以打开接头(1.3)，以将所述铁芯以如此的方式可拆卸地插入到线圈(2)内，使得一旦将铁芯插入到线圈(2)内，则铁芯(1)的每个支脚(1.1)的横截面是半圆形的形状，以及一旦插入所有的三个铁芯，则铁芯(1)的每个支脚(1.1)的横截面是近似圆形的形状。所述生产方法有利地产生用于三维变压器的卷绕芯，其没有残余应力，残余应力增加芯损耗。也便于线圈卷绕，因为不需要将线圈卷绕在铁芯上允许更容易和更快的生产。此外，所述生产方法不需要使得铁芯连同卷绕在其上的线圈进行干燥过程，从而节省时间和精力，所述干燥过程用于去除绝缘层中的水分，并且一旦粘合剂固化就将菱形网点纸上的粘接剂熔融以便其完全粘附到线圈。

根据本发明，硅钢片的切割和卷绕以每1-10圈绕组切割一次、优选以每1圈绕组切割一次的速率进行。

根据本发明，硅钢片的卷绕以如此的方式进行使得在卷绕过程中保持硅钢片的中心线。优选地，硅钢片的中心线通过使用用于调节硅钢片的两个边缘的调节装置(3)(如图7中所示)保持，以在切割和卷绕过程中保持硅钢片处于中心线内，并且由此获得的圆形铁芯具有近似椭圆形的横截面(如图11中所示)。这种绕组的优点在于在切割和卷绕过程中铁芯不会掉落，并且圆形铁芯容易被压成矩形铁芯。

根据本发明，通过将调节杆(4)布置于每个线圈(1)之间来进行将矩形铁芯插入到线圈(2)内，并且将线圈(2)以如此的方式结合使得线圈(2)相对于彼此成120度的角度。

根据本发明，将矩形铁芯插入到线圈(2)内还包括布置结合线圈(2)和调节杆(4)在变压器组装机中处于倒三角形结构(如图12至图14中所示)以便开始将铁芯插入到线圈(2)内。

根据本发明，将矩形铁芯插入到线圈(2)内还包括通过下述将每一线圈(2)的内部空间(5)形成为半圆形状，即以如此的方式将每个半圆形夹具(5)插入到每个线圈(2)的内部空间内，使得半圆形夹具(5)的平坦部分相对于变压器组装机的水平面成30度的角度(如图14中所示)。

根据本发明，将矩形铁芯插入到线圈(2)内进一步包括使用一对支撑基部(6)，其中每个基部(6)具有彼此面对的一个下坡表面，所述下坡表面相对于变压器组装机的水平面成30度的角度，以在插入过程中将所述轭铁(1.2)支撑在铁芯(1)的上侧和下侧处。

根据本发明，将矩形铁芯插入到线圈(2)内还包括在将矩形铁芯插入到线圈(2)的半圆形空间内之后将结合线圈(2)旋转到120度的角度(如图15中所示)。

根据本发明，将矩形铁芯插入到线圈(2)内还包括将半圆形夹具(5)相继地从线圈(2)移除以允许矩形铁芯逐个地插入到每个线圈(2)内，直到插入完毕。

进行测试以便确定使用不同类型的芯的变压器的效率，通过测量励磁电流和芯损耗来进行。试验结果在下表中进行比较和示出。

根据上述表，根据本发明的具有稍微打开的连接部分的三维铁芯的励磁电流和芯损耗非常接近于没有切割的三维铁芯的励磁电流和芯损耗，并且明显好于可打开成U形的三维铁芯的励磁电流和芯损耗，因为将铁芯打开成U形导致非常高的残余应力，如由当供给电压时高磁通量泄漏所确定的那样，从而导致非常高的励磁电流，导致无法测量芯损耗。

本发明的最重要的优点是变压器容易维护。在操作时损坏线圈的情况下，铁芯可被移除且在更换线圈之后可以插回。由于线圈本身可容易地修复或更换而无需更换整个变压器，因此用于本发明的材料、维护成本和其它成本以及变压器的安装的成本可以降低。此外，由于铁芯和线圈是独立的，生产这种部件也可单独地进行，换言之，线圈可在没有铁芯的情况下卷绕。因而线圈卷绕过程变得更加方便并且较少地消耗烘箱的能量，因为没有必要使得铁芯连同其上卷绕的线圈进行干燥过程，所述干燥过程用于去除绝缘层中的水分，并且在粘合剂固化之后将菱形网点纸上的粘接剂熔融以便其完全粘附到线圈。这样的过程不仅对于运输而言不方便，而且它还需要在干燥过程中的大量时间和精力。与此相反，根据本发明的生产方法和将铁芯组装到具有近似圆形的多边形横截面的三维芯内的可能性将增强电网的稳定性和提高变压器的性能，以及降低芯损耗，并减少用于制备线圈所需的铜线的量。此外，线圈和铁芯的组装而不必将铁芯打开成U形防止铁芯变形，从而不在铁芯中导致残余应力。因此，不存在芯损耗以及在磁路中的气隙较小，这提高变压器的性能，同时减小操作噪声和振动。

应当理解的是，本发明并不限于上面描述和图中所示的实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对本发明进行各种改变和修改。