非矩形截面铁心e型节能节材变压器的制造方法
【专利说明】非矩形截面铁心E型节能节材变压器发明领域
[0001]本发明属于电学中的变压器技术领域，主要涉及小型变压器的磁路结构改进，具体地说，是创建一种新结构的单相变压器。
【背景技术】
[0002]变压器的基本原理是通过电磁感应，将一种交流电压改变为另一个电压，其基本结构是电路(包括绕组和外电路)和磁路的交链，通过电能和磁能的相互转化以实现电压变换。
[0003]在现有的小型单相变压器中，E型变压器以其结构简单、制造容易为特点，是用得最多、最普通的变压器品种。
[0004]E型变压器只有一种片型，为一片E形片和一片I形片叠制成一层，将另一层按相反方向叠装，使空气隙相互交错达到一定厚度所构成的磁路，所以冲片模具很简单，而斜E形的模具更简单到只需一件冲模。正因为模具简单所以E型变压器得到广泛应用，但由于其绕组只能采用矩形结构，所以电阻大损耗多，电源效率低，是一种低效不节能产品。
[0005]变压器的损耗有铁损和铜损两种，铁损由铁心的磁损耗所引起，通常称为空载损耗，而铜损是由铜绕组的电阻所产生，称为负载损耗，在现有材料成本条件下，变压器通常设计成负载损耗大于空载损耗的规则。
[0006]E形变压器的铁心截面为矩形，所以绕组也是矩形。在相同的铁心截面积中，长方形截面的铜线长度大于正方形，而正方形截面的铜线长度又大于圆形，所以现有传统E形变压器，负载损耗较大，效率较低，而且铜线长度大，使E形变压器材料成本提高，很不经济。
【发明内容】
[0007]本发明的目的，是通过变压器磁路结构的改革，减少E型变压器的损耗，提高变压器能效；减少用材量，降低制造成本。
[0008]本发明是这样实现的，一种主要由叠片铁心、线圈架、绕组三大部件组成的E型单相变压器，其特征是，变压器铁心为非矩形截面；叠片由不限于一种尺寸的硅钢片叠制而成。
[0009]本发明的技术效果是明显的，首先，许多种非矩形截面，特别是圆形结构绕组的线匝长度/铁心截面积比比矩形绕组小，绕组电阻低，可以有效降低变压器的负载损耗，提高能效；其次，圆形等结构绕组比较容易绕制，其用铜量也较低，有利于降低变压器的材料成本。
【附图说明】
[0010]图1、现有传统E型铁心单相变压器叠片形状图。
[0011]图2、现有传统E型铁心单相变压器绕组外形图。
[0012]图3、本发明改进的小八角E型变压器铁心截面图。
[0013]图4、大八角E型变压器铁心截面图。
[0014]图5、本发明的3阶圆截面铁心和线圈横剖图。
[0015]图6、3阶圆截面变压器外形图。
[0016]图7、3阶圆截面铁心纵剖图。
[0017]图8、本发明变压器的4阶非矩形截面铁心。
[0018]图9、本发明变压器的一种5阶非矩形截面铁心。
【具体实施方式】
[0019]现有传统E型铁芯变压器，也称EI型变压器，是一种用途广泛的、也是最常见的小型变压器。
[0020]图1为现有传统E型铁心单相变压器叠片形状图。E型变压器铁芯，是在矩形线包制成后，由一片E形片和一片I形片叠制成一层日字形，将另一层按相反方向叠装，使空气隙相互交错达到一定厚度所构成的磁路，通过交错换位，铁芯缝隙相互错开，以降低磁路间隙磁阻，所以冲片模具很简单，一款变压器只需两种冲件，而斜E形的模具更简单到只有单一冲件。
[0021]图2为现有传统E型铁心单相变压器绕组外形图。绕组其实就是一个矩形线包，通常由漆包铜线绕制。E型铁心单相变压器的绕组是一个简单的六面体，中间开有一个矩形孔，用来插入E型叠片，叠片依相互交错方式插入，例如将I至2片叠片从绕组线圈架的上部插入，则依次将I至2片叠片从绕组线圈架的下部插入，相互交错插入，直到将中间的矩形孔插满为止。
[0022]从几何学原理出发，在一个封闭的几何图形中，不同形状的几何图形的边长与所围面积之比差异极大，例如长方形的边长/面积比大于正方形，长方形的长宽比越大，其边长/面积比也越大；而正方形的边长/面积比又大于圆形。
[0023]对于任一款E型变压器的铁心和绕组而言，几何图形的面积对应于铁心截面积，而绕组导线长度对应于几何图形的周长。所以，一定截面积铁心，对应于不同截面形状的绕组的长度是不等的，这就是在E型变压器设计中，建议多采用正方形截面铁心的原因。在相同的铁心面积下，正方形铁心的导线最短，电阻最小，所以其负载损耗Pr也最小。
[0024]Pr = I2R(式 I)
[0025]由式I可以看出，负载损耗与绕组电阻成正比，而与流过绕组的电流平方成正比。
[0026]同时，导线最短，意味着变压器线圈的用铜量也最小，所以在变压器设计中，尽量采用正方形截面的铁心，或者尽量采用长宽比接近I的长方形截面铁心，成为设计中的基本原则，这样一种变压器具有最佳的节能节材效果。
[0027]下面需要探讨的是，本发明是如何对E型变压器铁心、线圈结构作节能节材改进的。基本的结构改进特征是，变压器铁心由矩形截面改进为非矩形截面；叠片由一种尺寸的娃钢片改进为一种以上尺寸的娃钢置片。
[0028]以非矩形截面铁心代替矩形截面铁心，首先是可以减少铜线长度，较短的铜线长度意味着较小的绕组电阻。从而，既可降低变压器的负载损耗，又可降低变压器的用铜量。
[0029]改进的第一种E型变压器铁心为对现有E型变压器作最小动作的改良，称为小八角线圈架E型铁心变压器。
[0030]图3为本发明改进的小八角E型变压器铁心截面图。
[0031]图3a)为传统E型变压器的铁心芯柱截面，线圈架(21)套在铁心(10)上，铁心中只有一种尺寸的叠片。
[0032]图3b)为本发明中最简单的改进，采用小八角线圈架代替矩形线圈架，对于铁心来说，就是采用少量二阶叠片置换部分一阶叠片，也就是说采用两种尺寸的叠片，本方案以一阶大叠片为主，加入少量二阶叠片，目的是把矩形线圈架的四个角去掉，以此缩短导线长度，减小绕组电阻值，从而降低变压器的负载损耗。
[0033]以具体设计的样机为例，原有E型变压器采用50mm舌宽的冲片，叠厚69mm，铁心计算截面积为3450mm2。
[0034]本发明改为54mm和40mm舌宽的2阶冲片的小八角，叠厚也是69mm，铁心计算截面积为3516mm2。除舌宽外的冲片其它参数不变。
[0035]铁心截面积增加到1.019倍，但绕组导线长度降低到0.962倍。
[0036]也就是说，即使不改变原有E型变压器的线圈匝数，也使改进产品的磁密降低，空载损耗减小；同时，绕组电阻减小，负载损耗降低。改进后的产品能耗指标双双降低，既节能又节材。
[0037]上述改进所产生节能的主要原因是，将原有矩形线圈架的四个直角削掉，改成为小八角形的钝角，将原来必须直角转弯的绕线改变为135°钝角转弯，非但绕线方便，同时也缩短了导线长度。在实际的线圈架中，靠铁心一侧的线圈架框可以制成角型，而靠绕线一侧的线圈架框尽量避免角型，而应以弧形过渡。
[0038]如果改进后的铁心，即使仍采用原来的一阶叠片，还是以一阶叠片为主，配以少量二阶叠片，那铁心有效截面损失也很少，所以只要稍微加厚一点线圈架的纵向宽度，也就是说比原来多叠一片或数片叠片，就能把截面损失补回来。但去掉四个直角，导线长度减小，既节省了铜材，又3负载损耗降低。
[0039]综上所述，小八角形截面铁心变压器的特征是，变压器的铁心由2阶叠片组成；线圈架为接近矩形的小八角形。
[0040]图4为本发明的大八角E型变压器铁心截面图。
[0041]小八角E型变压器铁心的改进必定是有限的，如果将小八角形进一步向圆形方向发展，就将成为大八角形的铁心和线圈架。同时，为提高截面铁心占有率，2阶叠片也升级成为3阶置片，即铁心由一阶置片、—■阶置片和二阶置片的3种冲片置成。
[0042]从图4中可以看出，大八角E型变压器铁心仍以一阶叠片为主，但二阶叠片比小八角方案有明显增加，三阶叠片可以比二阶叠片少也可以与二阶叠片一样多，关键是根据线框的形