立体卷绕型零间隙磁路三相变压器的制造方法
【专利摘要】立体卷绕型零间隙磁路三相变压器，是中大型变压器制造领域中的重大技术改进，可以有效解决变压器磁路不对称所引起的电压电流不平衡。相比于立体R型变压器，零间隙磁路为铁心铁轭分体卷绕的开口磁路，卷绕方便，绕组制造套入更简洁容易。文中介绍的多种具体结构、工艺处理和制造方法，都具有开创性和实用性相结合的特点，具有诸多显著优点，能更快进入产业领域。
【专利说明】立体卷绕型零间隙磁路三相变压器发明领域
[0001]本发明属于电学中的变压器技术领域，涉及变压器的磁路结构和制造工艺，具体地说，是创建一种立体新结构新工艺的三相变压器。
【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，以通过电能和磁能的相互转化实现交流电压的变换。
[0003]现有的传统大功率三相变压器为平面型结构，中间相的磁路短、间隙少，而两个边相的磁路长，间隙也多，造成三个相在磁路结构上的先天不对称，从而引起三相励磁电流的不平衡，不平衡的三相电流又会招致负序电流，对电网和发电机产生不良影响，成为正常电力供应的一个重大制约因素。
[0004]为达到三相平衡，出现了无磁路间隙的立体R型卷绕铁心结构，解决了磁路结构的先天不对称，但现有R型变压器的绕组制造困难、工时效率低、且高压和大功率绕组绕制的限制条件难以满足；此外，立体R型铁芯的硅钢带材料利用率低、存在成本过高的问题，等等，出现了一些新的问题。所以总的说来，为彻底解决变压器的三相平衡问题，特别是在大功率、特大功率应用方面，现有产品和技术尚有相当距离，必须采取新思路、新结构加以根本性的解决。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，是通过变压器磁路结构的改革，找到一条更好的途径，以解决磁路不对称问题，简化立体R型变压器工艺，降低制造成本；减小材料损耗，提高效率，实现变压器结构和工艺的全对称改造。本发明涉及变压器磁路结构的重大改进，卷绕工艺的创新性简化。
[0006]本发明是在采用了与现有传统变压器有所不同的结构和工艺路线，那就是零间隙磁路的变压器新结构和新工艺技术的前提下，所作的开创性发明。有关零间隙磁路结构技术和工艺，详见中国发明专利申请201310160702.1《零间隙磁路自封闭型变压器》，本发明是以该发明为基础，对R型三相变压器结构和工艺所作的对称性改造的探索。
[0007]本发明的目的，是采用卷绕铁心和卷绕铁轭相分离的新结构，且能在磁路结构上形成优于R型立体铁芯性能的对称平衡条件，同时新结构具有制造容易、成本低廉等效果。
[0008]本发明是这样实现的，一种主要由绕组、铁心和铁轭三大部件组成的立体三相变压器，其特征是，变压器为立体卷绕型；铁心与铁轭分体制造且二者结合面构成零间隙磁路结构。
[0009]本发明的技术效果是明显的，首先，立体全对称结构全面解决了现今大量使用中的平面型结构变压器三相磁路结构的不对称问题，从而解决了电气相间不平衡的问题；此夕卜，零间隙磁路属于有间隙的开口新结构，可以有效解决立体R型卷绕变压器绕组制造工艺中的种种困难，并提高铁心材料利用率，降低变压器成本。
【附图说明】
[0010]图1、现有传统平面型铁芯三相变压器叠片形状图。
[0011]图2、现有传统平面型铁芯三相变压器磁路分析图。
[0012]图3、本发明的零间隙磁路平面型铁心三相变压器叠片形状图。
[0013]图4、现有传统立体R型三相变压器整体磁路结构简图。
[0014]图5、现有传统立体R型三相变压器分体磁路图。
[0015]图6、现有传统立体R型铁芯绕制方向图。
[0016]图7、卷绕完工的传统立体R型铁芯外形图。
[0017]图8、本发明的立体卷绕型三相变压器磁体的分解构思图。
[0018]图9、卷铁心产生涡电流的原因分析图。
[0019]图10、制造完成的卷铁心示意图。
[0020]图11、由圆环形铁轭构成的立体变压器结构顶视示意图。
[0021]图12、采用内三角弧形铁轭的设计图。
[0022]图13、磁流在铁轭中的流动路径图。
[0023]图14、本发明的带有凹形圆槽铁轭的局部纵剖图。
[0024]图15、带有凹形圆槽铁轭的铁心局部横剖图。
[0025]图16、为本发明的立体卷绕型三相变压器整体安装结构简图。
[0026]图17、现有商品卷料中硅钢带磁流取向与裁剪线关系示意图。
[0027]图18、使用板材的开料方向与磁流取向之间的关系。
【具体实施方式】
[0028]本发明的变压器磁路结构定义与传统变压器不同，因此为防止歧义，必须另作定义。
[0029]在本发明书中:
[0030]铁心(I):仅指处于绕组中的磁性器件。
[0031]绕组(2):指变压器的电链，是变压器交流电流进入和流出的器件。
[0032]铁轭(3):指变压器中使铁心中的磁流相互连通、完成回路的磁性器件。
[0033]磁路:指变压器的磁链，是变压器的整个磁体，包括铁心、铁轭的总称。
[0034]在传统变压器中:
[0035]心部:也称芯部、心柱、芯柱，相当于本发明的铁心(I)。
[0036]轭部:也称磁轭，指变压器中使铁心完成磁链的器件，包括上轭、下轭，可能还有旁轭，相当于本发明的铁轭(3)。
[0037]铁芯:也称“铁心”，是指变压器的磁链，包括变压器芯部和轭部的整个磁体的总成，相当于本发明中的磁路。
[0038]绕组(2):也称线圈，与本发明的绕组(2)定义相同。
[0039]采用重新定义，目的是为了清晰区别本发明结构概念上与现有技术的不同，防止混淆。本发明中的绕组(2)定义与传统变压器相同，但铁心的名称与传统定义大相径庭，传统的“铁心”指全部磁性器件，包括了心部和轭部。传统的R型三相变压器，心部与轭部连成共同磁路，不可分割，所以铁心也成为变压器心部和轭部的总称。而本发明中铁心的定义仅指处于绕组中的磁性器件，相当于传统定义中的心部，之所以要重新定义，目的是在于完全不同的工艺路线，因为将传统定义中的铁芯拆分成为本定义中的铁心加上铁轭二大部件，就可以将原有传统变压器的心部和轭部合在一起的制造过程，改进为本发明的铁心和铁轭分别制造，从而将传统工艺操作中的难度，通过本发明所述的零间隙磁路结构技术加以克服改进。所以本发明的变压器工艺和结构，是属于开创性的发明创造，故必须以不同的结构定义以示区别。
[0040]在论述卷绕型立体变压器铁芯结构前，先说明采用零间隙磁路的必要性。
[0041 ] 以广为使用中的叠装式变压器而论，传统思路总认为将变压器心部和轭部连接在一起考虑，可以通过叠片层面的交叉换位叠装，相互弥补接缝间隙处的磁阻。但在具体实践中，这一观念既不可能大幅减少间隙磁阻，又造成叠装工艺的繁琐复杂、费工费时。
[0042]以已经过实践证实的小型变压器为例，小型E型壳式变压器从有间隙磁路向C型心式变压器的零间隙磁路的进化，其实质上是将裁片和叠装过程中无法控制的磁路间隙，向磁路结合面精密加工的转化，代表着新技术结构和工艺发展的方向，启示着大型变压器也同样可以从人工精细工艺叠装向零间隙磁路的改进。为了使铁心与铁轭结合面零间隙紧密配合，除了需要对结合面精加工处理外，如何才能在实际变压器中减少甚至消除铁心与铁轭结合面的磁路间隙，如何利用零间隙磁路的特有结构，与原来叠片结构无法采用的新结构相结合，既要结构简单合理，又要施工简便易行，当然更重要的和最终结果，还是要达到变压器的更高能效技术性能和降低材料、装配成本的两大目标。
[0043]图1为现有传统平面型铁心三相变压器叠片形状图。
[0044]图1中，三种规格尺寸的裁片，拼成一层叠片，先用左边的二至三片叠，然后用右边的二至三片叠，直至叠到规定的厚度，还是比较容易的，当然这种铁心是矩形截面，所需绕组也为矩形。但是，矩形绕组的用铜量大于圆形绕组，很不经济，用铜量多更意味着绕组电阻值增加，所以负载损耗大，再加上叠片间隙大，空载电流增加，所以空载损耗也大，变压器的效率降低，故芯部一般不采用矩形而多数采用圆形。关键是圆形铁心的芯部需要采用宽度不同的多种裁片叠制，这样裁剪和叠装工时将大大增加，叠装的难度更是大许多倍。
[0045]在圆形截面芯部的制作过程中，涉及铁心叠片叠装过程要求很高，首先是提高组装精度，以保证产品具有最小的磁路间隙，其次，还要保证芯部叠成一个准确的似圆截面。为了防止出现变形、歪斜等情况的发生，每叠一层，甚至每一叠都需要进行叠层部位的校正、修整、测量，特别是斜接缝。在叠装过程中，为了保证一定的叠装速度，必须有叠片人和递片人，至少要9人共同参加一台铁芯的叠装工作才能保证工作效率，劳动力浪费很大，最后，还有绑扎、起立、插片、烘干、绝缘、退火、封固等等过程，都很费工耗时。
[0046]传统的三相变压器，虽然由许多叠片叠装而成，但芯部与轭部连成共同磁路，一起叠装，不可分割，所以铁芯也成为变压器芯部和轭部的总称，二者一起叠装，难度当然比二者分开单独叠装大了很多。
[0047]在上述三个芯柱上安装三个绕组，就成为一台三相心式变压器，它比同功能的三台单相变压器节省磁路材料，所以在全球三相电系统中获得广泛应用。
[0048]图2为现有传统平面型铁心三相变压器磁路分析图。图中，三个铁心(I)为矩形截面，在芯柱中套入绕组(2)后，由铁轭(3)将三个芯柱连接成为封闭磁路。
[0049]为方便起见，就以图2中最简单的矩形铁心为例来分析传统三相变压器的磁路特点。首先发现，磁路上每层叠片有7个之多的空气间隙，这些磁路间隙都存在磁阻，为减少磁阻，除了将上下层采用图右的一或几层叠片，以交错叠装的方式，减小间隙处的磁阻外，还是必须尽量用精细叠装以控制间隙，一共有多少层叠片，磁路间隙就乘上多少倍，得化多么大精力放在精细叠装上。
[0050]假如在自左到右的三个芯柱中分别放进A、B、C三个绕组，可以发现，从A柱流到B柱的磁流需越过4个间隙，而从A柱流到C柱的磁流需越过6个间隙，且其流动的磁路长度也比B相磁流大了一倍，所以在AC柱间磁流的阻力明显高于AB柱，同时也可发现，B柱磁流的阻力最小，路径也最短。所以说，现有传统平面型铁心三相变压器磁路是不对称的，那么三相绕组的感应电压和电流也是不平衡的。
[0051]图3为零间隙磁路平面型铁心三相变压器叠片形状图。
[0052]从图3可以看出，零间隙磁路三相变压器的磁路，其实要比传统变压器更简单，首先它将铁心和铁轭分别叠装，心归心，轭归轭，各自叠装，而且是分5块叠装，比起5块一起叠装的传统工艺当然就容易得多。其次，其铁心和铁轭结合面经过精加工、实现零间隙磁路，其磁阻、励磁电流和磁损自然就比较低，可以达到更高的变压器能效。
[0053]从对称性上比较，每个柱流到它柱都是相等的4个间隙，对称性上比传统平面型变压器优越，虽然AC间的磁路还是比较长，但至少从磁路间隙相等这一角度衡量，它的相间磁阻差值还是比传统平面型结构小，对称程度稍高，平衡性较好。不可抹杀，这些优越改进的合理性来源于零间隙磁路，所以说，零间隙磁路是本发明结构的基础技术。
[0054]本说明中，上述对平衡性有所改进的结构，毕竟还不是全对称的磁路结构，只是零间隙磁路所带来的一个积极效果。下面所阐述的，是零间隙磁路又是怎样产生一条通向全对称的捷径。为了更好引入这条捷径，先以卷绕式R型立体三相变压器为例加以对比说明。
[0055]当前的立体R型的全对称变压器结构，已经开始在小型立体三相变压器产品中使用。卷铁心变压器最早由日本的一些变压器厂家制造，但日本的卷铁心变压器制造工艺与我国不一样。日本的制造工艺是:在铁心卷制后，再切开一条缝，然后套装线圈，类似于C型变压器的做法，所以安装绕组就比较方便。我国的卷铁心变压器的制造工艺为:将已退火的铁心成品放到卷铁心绕线机上绕线圈，绕线圈前，先将一个开成两边的线圈骨架装到铁心柱上，然后在线圈骨架上绕制线圈，绕完后，再装好夹铁，夹紧线圈，完成器身装配，该工艺造成绕组制造安装的不便。虽然铁心切缝会增加磁阻，但其结合面是精加工的平面，接触贴合、磁阻很小，只略比R型闭合铁心稍增极少磁阻，实际上也属于零间隙磁路的范畴，与本发明磁路有相似之处，但开口的磁路，对绕组来讲，却带来许多制造和安装上的好处。
[0056]上述日本技术是将铁芯部分切开，铁芯还是与铁轭一体的，在本发明中，铁心不切开，而将铁心与铁轭分开，分界面是在铁心和铁轭间的结合面处，其区别也很大。
[0057]图4为现有传统立体R型三相变压器整体磁路结构简图。
[0058]图5为现有传统立体R型三相变压器分体磁路图。
[0059]平面型的R型变压器磁路(即已成传统产品的R型单相变压器)，相当于一个圆形截面的方框体对称结构，从宽度较小的卷带到圆直径宽的卷带，再回复到宽度较小的卷带，几何图形简单直观，切割卷绕都很方便，卷绕的算法也很简单。
[0060]但是，从图5中可以发现，立体R型三相变压器的磁路截面比单相R型铁心复杂得多，形状很不简单，为三块形状尺寸完全相同的、带有复杂立体形状的半个圆截面的铁芯。其单个铁心是一个立体不对称截面的几何结构图形，包括二个半圆截面的芯柱，两边的垂直部分是两个半圆截面的铁心，半圆面不在同一平面内，半圆平面之间的夹角为120°。上下两铁轭也应该是个斜的半圆，且其截面积与半个铁心截面积相等。这样的铁心似应按图6的卷绕方式制作，是很难设计和制作的。
[0061]图6为现有传统立体R型铁心绕制方向图。绕制按垂直于铁轭水平线的垂直方向设计，从磁路最内端的a点开始起绕，按一边为30°角倾斜的半圆面，另一边为直线然后过渡到约60°左右的圆周面，直至向外绕到端点z处，并在上端形成平面而下端形成切线圆面。
[0062]图7为卷绕完工的现有立体R型铁芯外形图。图7是以图5左上角那块磁体描绘的外形图。反正这样的磁体已经实实在在制造出来了。
[0063]也就是说，既然已有现成的立体R型三相变压器实现了产业化，就可以采用零间隙磁路的新结构参照立体R变原有结构形状，改进为更简洁易行的结构来实现同一立体卷绕全对称目标，本发明的立体全对称新结构目标的共同特征包括:
[0064]1、变压器的三个铁心呈三角形立体分布，相间铁轭等距离；
[0065]2、磁路为全对称型，各相铁心和相间铁轭的磁路结构相同；
[0066]3、铁心与铁轭作为相互独立的部件，分体卷绕制造；
[0067]4、铁心与铁轭的磁结合面为平面，经精加工后装配形成零间隙磁路结构。
[0068]下面按照本发明变压器的上述结构特征，探讨在立体全对称三相变压器中采用卷绕式铁心和铁轭的更简单的结构，当然，这种探讨的前提仍然是零间隙磁路结构。
[0069]根据图5、图6的R型三相变压器磁体图，如果采用本发明铁心和铁轭分开制造的方法，采用卷绕结构分别制造铁心和铁轭，那就非常地简单容易。即按图4和图5的现有立体R型变压器的磁路结构，将磁路分解为铁心和铁轭二大部件，总共为5块，即3个铁心、上下2个铁轭块的思路制作。卷铁心为简单的圆柱形，而卷铁轭也为简单的圆环形，最后通过组装，制造成为一台本发明特征的立体全对称卷绕型三相变压器。
[0070]图8为本发明的立体卷绕型三相变压器磁体的分解构思图。图中，变压器的三个铁心⑴呈三角形立体分布，相间铁轭(3)等距离布置；磁路为全对称型，各相铁心和相间铁轭的磁路结构相同；铁心与铁轭作为相互独立的部件，可以很简单容易地分体卷绕制造；最后，对铁心与铁轭的磁结合面采取平面精加工，装配后形成零间隙磁路结构。铁轭的内环刚好与铁心圆外切，而铁轭的外环刚好与铁心圆内切，使整个铁轭刚好覆盖铁心。
[0071]明确了立体卷绕型三相变压器的结构特征，下面对本发明的铁心和铁轭作进一步说明。
[0072]首先介绍本发明的卷铁心。
[0073]根据厂家资料，卷绕式铁芯用于中小型变压器有如下优点:
[0074]I)在条件相同的情况下，卷绕式铁芯与传统叠装铁芯相比，空载损耗下降7%?10% ;空载电流可下降50%?75% ；
[0075]2)卷绕铁芯可采用很薄的高导磁冷乳硅钢片，可以生产更低损耗的变压器；
[0076]3)卷绕铁芯工艺性好，没有剪切废料，利用率几乎是100%;还可采用机械化作业，免除了叠装工序，生产效率比叠装铁芯提高5?10倍；
[0077]4)卷绕式铁芯自身是一个整体，不需支持件夹紧固定，又没有一个接缝，因此在与叠装铁芯同样条件下，变压器噪声可降低5?10dB。
[0078]本发明将有可能在更大容量变压器中使用卷铁心结构。
[0079]当然，已经使用的卷绕式铁芯与本发明的卷铁心既有相同之处也有不同之处，相同之处在于基本材料一样，都是取向性硅钢带料；而不同之处在于传统中的卷绕铁芯常做成铁芯铁轭一体的封闭磁路，所以造成绕组难以放进去，而本发明中的卷铁心，并不是封闭的磁路，仅起本发明定义的铁心的作用，还必须配以铁轭，才能完成磁通路，系开□型铁心，绕组进出磁路均十分方便。
[0080]此外，本发明所述的三相变压器，由于解决了磁路与绕组、铁心与铁轭相互牵制的问题，功率可以远大于原有使用卷绕式铁芯的中小型变压器。
[0081]但是，不能忽略的是，本发明中的卷铁心有个很大缺陷，那就是，卷铁心会存在高感应电压所致的涡电流威胁。所以，首先必须解决卷铁心的涡电流问题，才能使卷铁心达到实用性的要求。
[0082]图9为卷铁心产生涡电流的原因分析图。从图中可以看出，作为具有导电能力的金属卷铁心也相当于绕组缠绕在铁心本身，而磁场就在它内部所围的铁心部分，这时的铁心不仅允许磁流上下流动，它本身也是一种“绕组”，“绕组”所耦合的磁流就是该圈自绕组”圆内所封闭的磁流，越向外层，封闭的磁流越多，感应的电压也越高。对于最外层的那圈卷铁心，IMVA三相变卷绕铁心的每匝电压可能达到甚至超过10V，由于串联连接，假如采用厚度为0.20mm的娃钢片，铁心外层2mm层间的电压就可能高达上百伏，而整个连续的卷铁心从里到外层的感应电压就会上万伏，这么高的电压，都得靠铁心卷片的层间绝缘加以阻隔，万一层间绝缘被击穿而形成电连接，就会产生大量涡电流，使变压器铁心本身发热损毁；此外这么高的感应电压，对冷却油和变压器壳体绝缘，都会产生诸多问题。所以涡电流问题是本发明卷铁心结构必须时先解决的重大制约因素。
[0083]本发明对于克服涡电流的解决方法，就是在卷制成的铁心的外表开轴向槽，轴向槽一直开到绝缘芯棒，就相当于将全部串联的线匝切断，感应电压就无法串联累积增大，从而消除产生涡电流的电压源。
[0084]对于功率更大的大型铁心，还可以按不同径向位置，开出多条轴向槽，轴向槽呈发散状均匀分布，使每段感应电压不超过10V，甚至更低，产生涡电流的可能性将非常小，至多像硅钢片中涡流的水平。轴向槽与磁流同方向，因此不影响磁流的流动。由于开槽所损失的铁心截面积也不大，可以忽略或适当补偿增加铁心截面积。
[0085]图10为制造完成的卷铁心示意图。其外形呈发散状，类似于砸整流器中所用的菊花片，当然卷铁心的尺寸要比菊花片大得多，且形状是圆柱体形，这是不同之处。总的说来，本发明卷铁心的其特征是，在卷铁心中有一条或数条轴向槽，以消除铁心的涡电流。
[0086]为了加强大型变压器的散热，也可将绝缘槽留存作为通风散热的热气流或热油流通道。其特征是，变压器铁心中有一条或数条由轴向绝缘槽构成的散热通道。
[0087]下面接着阐述本发明中变压器的铁轭。
[0088]图11为由圆环形铁轭构成的立体变压器结构顶视示意图。铁轭的内圆与铁心圆外切，铁轭的外圆与铁心圆内切。图中，大圆部分均为可见的，是圆环形的铁轭(3);小圆部分均不可见，是虚线标示的圆柱体的铁心(I);中圆部分，是部分可见、部分不可见的绕组⑵。
[0089]在本发明的卷铁心中，磁力线是按轴向流动的，即图中的垂直方向。而在本发明的铁轭中，磁力线是按圆周方向流动的，即图中的水平方向，所以发生在铁心中的严重涡电流问题并不存在与铁轭。如按圆柱形状设计铁心，按圆环形状设计卷绕铁轭，分别卷绕制造，相比于R型变压器的磁体来说，是非常容易操作和实践的工艺。
[0090]图11中的铁轭采用纯圆形，使各相间的铁轭长度大、磁路长，磁损增加，同时材料用量也不尽节约。为此，可尝试改用三角形内孔的办法开始卷绕，以缩减磁性材料用量和降低磁路损耗。
[0091]图12为采用弧形内三角铁轭的设计图。首先，要把内三角的顶角改为圆弧形，这样才符合卷绕内芯模具的要求，由于顶角处铁轭的长度必须达到铁心直径，才能使铁轭全部覆盖到铁心磁路，而如果铁轭外围也成为直线的话，那么其厚度肯定小于铁心直径，那是不可能的。按绕制矩形线圈的规律，转角处线圈的宽度必定小于直线处线圈的宽度，从铁心的内圆处开始绕制，一直绕到铁心的外圆处，按卷绕的规律，锐角处总是比钝角处绕得更紧密，所以虽然开始绕的时候大部分还是三角形的直线，但绕到外面，就变成弧线了，再继续绕下去，就会变成圆形。这一规律在变压器的矩形绕组中是最常出现的现象，里圈还是矩形的线框，绕到最外面，就变成圆形线包了。也就是说，从线框为直线部分向外测量的厚度应该大于小角度处向外测量的厚度。这样就会产生非铁心位置铁轭片间的膨胀松散的问题，招致铁轭产生严重噪声。为此，可在这部分铁轭中增设散热导管(30)。散热导管的个数，可根据设计计算确定，少则三个，多则六个、九个，或更多，反正只要是三的倍数，都可以，目的是对称分布，散热均匀。图中为属于九个散热导管的设计(但图中仅画出三个，另二处的六个未标出)。增加散热导管后，既可减省磁材用量，又可减少铁轭部分的损耗和热量，可谓一举二得。
[0092]圆弧形内三角铁轭，可以用于上轭和下轭中，或者用于上轭或下轭中之一。其特征为，采用圆弧形内三角的铁轭中，可以增设散热导管(30)。
[0093]上述卷绕型铁轭为矩形截面，矩形截面的优点是绕制比较容易，磁材利用率高，很适合用作为下铁轭，因为下铁轭承受整个变压器的重力，底部为平面的矩形截面铁轭承重能力强、稳定性好。
[0094]但是由于在矩形截面结构的铁轭中，每片导磁轭片的宽度是相等的，而它们所处于铁心圆位置中的弦长是不等的，中间位置较长的弧段从铁心流入的磁流量大而两边磁流量小得多。假设由绕组电流在铁心柱中所产生的磁流是均匀的，那么由铁心传导到铁轭中段的磁流一定大于传导到铁轭两边中的磁流，但是图8中矩形等截面铁轭结构中的所有铁轭磁片的宽度是相同的，磁阻基本相同，不同的磁流就会在铁轭不同层间产生磁势差，在该磁势差作用下，部分磁流会在片层间转移而达到相对平衡，当然层间磁流转移会产生额外的磁损。为此，必须采用弧形截面结构的铁轭，铁轭环的中间部分隆起而两边凹下，形如环形山。弧形截面铁轭在传统的叠片平面型大型变压器中也广泛应用，比较容易理解。采用弧形截面铁轭，就可达到铁轭导流层间磁势、磁流的自然平衡，降低或消除层流，减小磁损，提高变压器的效率。
[0095]在设计铁轭截面弧形曲线时，与叠片平面型变压器不同的是，既要考虑到铁轭该层在铁心圆中的弧长这一因素，还要考虑到铁轭在铁心圆内外段的长度悬殊的因素，从图13中可以看出，从A相铁心到B相铁心的每层处的铁轭长度，在靠近内圆处的长度，如amc所示，弧段短且长度差别并不大，而到靠近外圆处，如anc弧段很长且长度差呈迅速扩大之势，所以其弧形曲线线型计算是一个多重函数。
[0096]弧形截面铁轭适合于上下铁轭，特别是上铁轭。
[0097]图13为磁流在铁轭中的流动路径图。例如从A相铁心流到B相铁心的磁流，当然大量磁流会从最近的左边路径直接流入B相，但部分磁流也会从较远的右边路径跨越C相流到B相。根据这一特点，本发明变压器的铁轭，在相同的铁轭截面积下铁轭导磁能力优于R型立体变压器。其原因是，R型变压器的铁心是个半圆，铁轭的截面积也是半圆，由于A相铁轭上半半圆部分铁心流向B柱的磁流，阻力当然很小，但是A相下半个圆内的磁流，想从右边流到B相时，由于铁轭的右边没有直接的通路到达B，必须跨过C相铁心间的耦合，才能到达B相，所以其磁阻会很大。
[0098]借一个电路的例子来说明，在本发明中，铁轭的磁阻力相当于一个R电阻与一个2R?3R左右的电阻相并联的阻值，而在R型变压器中，就是一个R电阻与一个大约为5R?7R的电阻相并联的阻值，当然前者的磁阻小于后者，也就是说，本发明的铁轭中的磁流比立体R变压器更具有两边流畅的优势，磁阻更小。
[0099]铁轭可采用矩形和弧形截面的两种不同形状，矩形截面用等宽带料绕制，材料利用率高。而弧形截面必须用不等宽带料绕制，材料利用率低，所制成的铁轭为中间部分凸出，两边凹陷的类似环形山的形状。但从降低变压器磁损、提高效率的角度出发，肯定弧形截面优于矩形截面，在工程应用方面应综合考虑。同样的原因，弧形截面适合用于上轭，下轭还是采用矩形铁轭比较稳妥。
[0100]上文所提涡电流是本发明的零间隙磁路立体变压器所需要解决的第一个技术问题，而结构刚度强度是本发明需要解决的第二个具体技术问题。例如，本发明中的铁心柱容易水平滑移，刚度也不及R型变压器。
[0101]加强本发明变压器刚度的方法之一是采用带有凹形圆槽的铁轭。
[0102]图14为带有凹形圆槽铁轭的局部纵剖图。在经过固化处理的铁轭上，在每个铁心的安装位置的结合面上切割出一个凹形的、底部为平面的圆槽(31)，槽的直径略大于铁心，相当于一个平面坑，坑底为铁心和铁轭的结合平面，并作精加工。圆槽(31)的深度可视结构需要选择，最浅的可能刚刨去表面的不平层，最深的也就占铁轭深度的1%左右(即裁片宽度的1% )，所以对铁轭导磁性能影响甚微。但这样一种沉入结构，通过固化剂的粘着，更容易牢固地将铁心固定在铁轭上，不易平行滑移，填充在槽内的固化剂中的导磁材料发散在槽中，也更容易减少磁阻和漏磁。同时，带有凹形圆槽的铁轭也可减少铁轭的加工量，因为原来必须对整个铁轭结合面平面精加工，现在只要对三铁心圆位置上的局部小面积内的铁轭作精加工处理，加工量显著减少。
[0103]显然，增加凹形圆槽后，相当于将铁心埋入铁轭圆槽坑内，受圆槽周边高出部位限制，在加上黏接固化剂的牢固粘结，变压器再无法水平移动，使铁心铁轭联合体整体强度提尚O
[0104]图15为带有凹形圆槽铁轭的铁心局部横剖图。从横剖图可以看出，铁心的截面圆尺寸应小于铁轭上圆形凹槽的直径。在这样一个细微的圆形环内刚好能容纳粘结固化胶和磁性颗粒。同时可以发现，带有凹形圆槽的铁轭的设计宽度必然大于铁心宽度，才能盖住铁心、形成圆槽型小池，容纳在槽内的粘结固化胶和磁性颗粒，不易溢出，可以更多地减少磁阻和漏磁。上下两个铁轭，宽度大于铁心，恰如帽子和鞋子，盖住三个立体铁心，外形也比较美观。但是，这样的设计需增加一定的铁轭宽度，从而增加成本，所以，是否采用凹形圆槽铁轭，以及凹形圆槽铁轭的设计深度、宽度，应根据具体产品的性价比权衡利弊，作出恰当判断。
[0105]以上所述是加强铁心铁轭连接的刚度强度，接下来需要考虑的技术问题，是变压器整体安装的刚度强度问题。
[0106]传统的平面型叠片三相叠片相互镶嵌，整体固紧力较强，而零间隙磁路结构的紧固力有所欠缺。但相对于立体R型变压器而言，本发明既有不利一面，也有有利一面。例如，R变的磁体是一个整体，刚度较高，而本发明的零间隙磁路磁体结构比R变分散，所以，本发明变压器的刚度即使依靠凹形圆槽加强了铁心铁轭的刚度，还需要靠紧固结构的拉紧螺栓得到加强，这是不利面；但本发明的磁体规则、线条清楚，倒是容易比R变解决整体结构的安装问题，这是有利面。
[0107]图16为本发明的立体卷绕型三相变压器整体安装结构简图。图中将铁心(I)、绕组(2)和铁轭(3)装妥后，在上铁轭的上面安装上夹板(42)，在下铁轭的下面安装下夹板
(41)。上下夹板形如一个煎煎饼的平底锅或锅盖，锅盖的圆形外围由角铁弯成一个圆形宽边，宽边上开有若干孔(44)，供上下长螺杆穿越，将上下夹板连成一体，变压器主体结构被夹紧，在夹板和铁轭之间有两种夹板绝缘(43)，一种是圆盘形绝缘板，垫在上夹板的上面和下夹板的下面，另一种是细长圆弧形绝缘环，分数块夹在铁轭圆周间，由夹板侧螺钉加以国定。上下夹板中留有多个散热孔，以利于气流或油流的对流散热。为提高刚度，上夹板上可增加加强筋，下夹板则固定在底座上，无须夹板就可利用底座增加刚度。
[0108]本发明需要解决的第三个具体技术问题，就是取向性磁性材料使用中所带来的新问题。
[0109]众所周知，为了增加磁路的导磁率，降低磁阻和磁损，提高变压器的效率，现有大功率变压器都采用取向性磁材。叠片平面型的铁心和铁轭采用45°斜接的叠片，R型立体变的整体磁路按卷片的弯曲使磁流跟着转向。但在本发明中的铁心铁轭如都采用取向磁材的话，在铁心铁轭连接处，将会遇到磁流转向时的额外磁损耗问题。
[0110]在三相变压器中，普遍采用取向性硅钢片，取向性硅钢片的导磁率高、磁损耗小于非取向性硅钢片。在本发明的铁心中，高导磁方向与磁力线流向均为轴向。应注意的是，本发明中的卷绕铁心与卷绕铁轭的取向是不同的，虽然铁心铁轭的安装轴线都为垂直方向，但铁轭的高导磁方向为水平方向，而铁心的高导磁方向为垂直方向。
[0111]由于磁流在铁心中是垂直方向流动的，而在铁轭中会成为水平方向流动，也就是说，磁流在从铁心转移到铁轭流动时，流向发生变化，在取向性硅钢片磁流转向时会产生晶间流动损耗，为解决这一问题，本发明在铁心与铁轭之间两者中择一采用非取向性磁材，也就是说，或者铁心采用取向磁材而铁轭采用非取向磁材，或者铁心采用非取向磁材而铁轭采用取向磁材，只能舍弃鱼与熊掌兼得的目标，使铁心与铁轭，两者中择一采用非取向磁材，就不再存在磁流转向时的转向磁损耗问题。为减小整个变压器的磁损，可以采用较长的取向铁心，绕组厚度变小，铁轭缩短的方案。反之，铁心采用非取向而铁轭采用取向磁材，同样不再存在磁流转向时磁损耗大的问题，为减小整个变压器的磁损，可以采用较短的铁心的大直径绕组，增加铁轭尺寸的方案。这些方案的目标是尽量减少非取向磁材的使用量，以降低磁损程度。
[0112]另一个比较彻底解决铁心与铁轭间磁流转向损耗的结构，是在铁心与铁轭间增加一层磁流过渡层，也可以减小磁流转向时产生的额外损耗。磁流过渡层为非取向性磁性材料，其直径可以与铁心相同或稍大，先使其将铁心流入的磁流扩散转向，然后它与铁轭的接触面成椭圆形延伸，使磁流更容易多角度渗透进铁轭，减小磁流转向时的损耗，这时，本发明的铁心和铁轭就都可以采用取向性磁材了。
[0113]磁流过渡层不必太厚就可以达到磁流转向的目的，所以过渡层内的附加磁势损失并不大，此时因过渡层的存在，对铁心铁轭结合面就都不需要作加工处理，因为粗糙的结合面既增加了磁流的接触面降低了磁阻，有利于磁流克服磁阻力，还利于通过粘结固化剂增加变压器整体结构的刚度强度，可谓一举两得。而不作加工处理也能节省制造成本。
[0114]磁流过渡层更适合于与凹形圆槽相结合，将凹形圆槽适当开深开大些，甚至开成椭圆形，将磁流过渡层垫于槽内，辅以含有纳米或非纳米细磁粉的粘合固化剂灌入槽内，磁流过渡层沿铁轭片方向延伸，磁流转向效果更好，这样就可解决本发明中所遇到的磁流转向问题。
[0115]零间隙磁路结构提出的原始目的，是减少变压器磁路空气间隙的磁阻，降低磁损，提高变压器的效率，达到节能的目标。而该结构提出一年多时间后的技术进展表明，零间隙磁路结构更大的创新，是将铁心和铁轭分离操作所带来的结构、工艺方法的创新潜力。例如，采用了零间隙磁路结构，就很容易制造立体全对称的三相变压器，正如本发明所介绍的卷绕型铁心和铁轭，都很方便制造，不再存在任何工艺难题或操作困难。同时，磁材的利用率也得到提高，特别是在矩形截面带弧形内三角铁轭中利用率最高。
[0116]对取向问题尤其要注意的是，现有成品硅钢带主要用于制造环型变压器、C型变压器和R型变压器等的需要，所以磁流取向与展带方向一致，可以沿展带方向采用纵裁卷绕，如图17所示，但在铁心中，这样的商品卷材必须采用横裁取带。
[0117]图17为现有商品卷料中硅钢带磁流取同与裁剪线关系示意图。
[0118]本发明中的铁心，为保证磁流在铁心中按轴向流动，如采用现有商品取向硅钢卷带，应采用横裁切成小段，然后拼接成长段卷绕，在拼接时，可以使前后段料带作电气隔离连接，即不让前后金属带接触，相当于在料带间增加绝缘，则有利于消除涡电流，在该情况下，是否还需要开槽绝缘，则可视带材长度的具体情况而定。
[0119]或者采用与展带方向相垂直的硅钢带，这就同样可以采取纵裁制取料带，不需要拼接，不过这样制成的铁心一定要开绝缘槽以消除涡电流。
[0120]图18为使用片材的开料方向与磁流取向之间的关系。从图中可见，裁剪线总与磁流方向保持垂直关系。
[0121]如果需要更强的牢固性，可以在组装前，对铁心和铁轭的结合面先涂一薄层强力粘结固化剂，那么在安装结束，固化剂固化后，在紧固件和粘结固化剂的共同作用下，变压器整体牢固性得到加强。采用纳米材料的粘结固化剂，性能效果更好。
[0122]粘结固化剂应该具有合适的耐热性能，防止变压器运行过程中的发热影响其粘结能力。
[0123]加粘结固化剂有利于提高变压器的结合强度，降低变压器可能产生的噪声。其特征是，在铁心与铁轭结合面之间，含有粘结固化剂，或者还添加有导磁性微粒的粘结固化剂，导磁微粒可能是无机导磁体、有机导磁体，或纳米导磁体。
[0124]铁心和铁轭结合面的精加工程度，将直接影响到结合面磁阻的大小，除了结合面磨得像镜面一样光滑外，不可否认，如果用显微镜观察，仍会留下一定的不平整间隙，除非用成本很高的超精密加工，仍然可能发现有许多细微凹坑，凹坑会阻滞磁流，增加磁阻和铁损。
[0125]为了更好地降低结合面的磁阻，可以在粘接固化剂中加入导磁性微粒，这些导磁微粒可能是无机导磁体，也可能是有机导磁体，特别是纳米导磁体，性能更好，纳米导磁体由于颗粒细小，只可能在粘结固化剂凝固前流入凹坑，不可能嵌在平面中增加间隙宽度。凹形圆槽与磁流过渡层结构，再辅以含有纳米或非纳米细磁粉的粘合固化剂的工艺方案，变压器的强度和磁性能指标可与现有立体R型铁心相媲美。
[0126]本发明所用的磁性材料为铁硅系合金、铁铝系合金、铁硅铝系合金、镍铁系合金、铁钴系合金、羰基铁、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、铁基非晶合金、非晶纳米晶合金软磁复合材料。
[0127]用于卷铁心的材料有高导磁率超薄冷乳硅钢带材、坡莫合金软磁带材和非晶铁心带材等软磁材料。
[0128]硅钢带的厚度为0.18?0.30 ;坡莫合金带的厚度为0.03?0.1Omm ;非晶铁心带厚度为0.03mm。
[0129]非晶铁心可由铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金或纳米非晶合金等材料构成，其中铁基非晶合金价格低、产量高，比较适合工频变压器使用。
[0130]铁基非晶合金是由80% Fe及20% S1、B类金属元素所构成，它具有高饱和磁感应强度(1.54T)，磁导率、励磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低(为取向硅钢片的1/3-1/5)，代替硅钢做配电变压器可节能60 — 70%。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯，适合于1kHz以下频率使用。
[0131]由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性能、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。
[0132]非晶铁心通常也由冶金材料厂带材卷绕而成，与卷绕型铁心的制造方法相同。今后大量生产有可能按变压器厂要求的尺寸规格，由冶金材料厂直接制造供应。
[0133]对于特大型的变压器，例如用于大型水电站或核电站，更需要三相平衡的立体全对称的变压器。由于以前产品的工艺特点，往往使特大型变压器制造后难以运输到发电厂，所以常采用在现场建厂和组装大型设备的施工方法，例如特大型R型立体变压器，很难在发电厂组装。由于本发明能将变压器分成5大块，制造成分体后，直接运输到现场，通过吊运设备在现场组装，排除了整体变压器运输的难题，所以在生产运输效率和经济性上，本发明的立体全对称的变压器，都将在生产和运输上获得更大的便利。
[0134]本发明变压器的铁心制造工艺方法如下:
[0135]1、铁心卷绕
[0136]开料:从大筒卷材中开出比所要求铁心宽度稍宽的卷钢带，卷钢带存放在料盘中；
[0137]定轴:在卷带机中插入一个小直径的绝缘芯棒，芯棒上有一缺口，校准轴心；
[0138]开卷:将卷钢带头部准确插入缺口，开始卷绕；
[0139]卷绕:随时调准位置、拉力和卷绕速度，直至达到所需铁心直径，端带固定，如遇一个料盘中的卷钢带用完，可接上另一料盘中的卷钢带继续卷绕；
[0140]粘结或固化:卷绕完成后，使铁心各层间粘接在一起，不致散架，或用热固法使铁心中各层卷带相互粘接牢固，例如采用类似绝缘电磁线中使线圈定型的热固性材料事先涂覆在带料中，卷绕结束后加热使铁心固化；
[0141]开槽:粘结和固化后，可以沿轴向在铁心的外表至少开一条细槽，槽应该从卷带的一边开到另一边，深度开到绝缘芯棒，目的是斩断带料的连续连接；如大型铁心，可能需要开多条槽；
[0142]绝缘处理:槽口里去除金属肩，槽口金属裸出部分作氧化、氮化或其它绝缘处理，以生成绝缘物，使卷带各层间没有电气连接，减少铁心涡流损耗；
[0143]在卷绕轴心空间填入导磁垫片或填充物，增加导磁截面积；
[0144]固定:槽口固化，增加铁心整体的强度刚度。
[0145]2、绕组制造
[0146]绕组制造工艺过程与现有传统工艺相同，不作说明。绕组制造完成后，在总装时将绕组套入已加工和定位好的铁心。
[0147]3、铁轭卷绕
[0148]卷绕型铁轭的制造方法相当于传统单相环型铁心的制造工艺，由于铁轭的磁流方向与铁心不同，所以很少受涡电流影响，无须像卷绕型铁心那样开绝缘槽。
[0149]一台变压器需要二个铁轭一一上铁轭和下铁轭，二个铁轭的尺寸、外形可以相同也可以不同。
[0150]4、磁体结合面加工处理
[0151]零间隙磁路的特点，归纳起来就是，以磁路中的铁心和铁轭分别叠装代替传统工艺的共同叠装，将可控的结合面精加工代替磁路间隙不可控的精密叠装，所以铁心和铁轭的结合面精加工必须按照相应的平面尺寸和精度的工艺要求实施，还有凹形圆槽的加工，都是本发明的特征性工艺，必须按照工艺规定严格执行。对于过渡层结构，则不必加工。
[0152]经过加工磨削处理后的铁心和铁轭接合面，必须对接合面作绝缘处理增加接触电阻，以降低感应涡流的可能性。表面绝缘处理的方法是使铁心和磁轭接触表面金属氧化、氮化或生成一薄层的绝缘介质覆盖在硅钢片加工面金属上，使结合面的导磁性能少受甚至不受影响，而导电性受到遏制，从而限制了可能产生的涡流。
[0153]5、磁体退火
[0154]经过卷绕和加工的铁心和铁轭，所受加工应力可能破坏磁畴晶粒结构，导致磁体磁损增加。为恢复比较理想的晶粒结构，需要对磁体作退火处理，具体处理要求例如温度、时间和步骤，需根据软磁材料特性决定。
[0155]6、变压器总装
[0156]各部件加工、测量完成后，即可进行变压器总装。
[0157]总装在变压器总装平台上进行。
[0158]将下铁轭总成平放在变压器底座上，下铁轭与铁心的结合面朝上，在加工后的接触平面、锥面或凹形圆槽内加注带磁粉的粘结固化剂；
[0159]将铁心等距离三角定位后，逐个安放在下铁轭结合面上；
[0160]待粘结固化剂凝固后，将绕组装入铁心中并定位加固；
[0161]在铁心上部结合面和上铁轭下部结合面各涂覆带磁粉的粘结固化剂，将上铁轭总成的结合面朝下盖在三个已装入绕组的铁心上，作安装检查、尺寸测量，校正位置后待粘结固化剂固化。
[0162]为便于上铁轭的粘结固化，可以相仿于下铁轭的安装方法倒过来安装，使粘结固化剂留存在槽内较长时间的稳定固化。
[0163]7、变压器固紧
[0164]通过上下铁轭夹件(42、41)上的小孔(44)，连接上下铁轭的拉紧螺栓，螺栓与铁轭、夹件间需作磁和电的隔离。
[0165]由于重力的作用，上铁轭压住铁心，铁心又压住下铁轭，所以结合面会很紧密，经过粘接固化剂和紧固螺栓拉紧，变压器整体达到紧密牢固连接，也实现了零间隙磁路设计要求。
[0166]8、其它附件安装
[0167]例如接线，散热器、传感器等辅助部件的安装，以及测试等程序按常规工艺施工，本文不作区别叙述。
【主权项】
1.一种主要由绕组、铁心和铁轭三大部件组成的立体三相变压器，其特征是，变压器为卷绕型；铁心与铁轭分体制造且二者结合面构成零间隙磁路结构。2.根据权利要求1所述的立体三相变压器，其特征是，磁路为全对称型，各相和相间磁路结构相同；铁心与铁轭的磁结合面为平面，经精加工后装配形成零间隙磁路结构。3.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，在卷铁心中有一条或数条轴向绝缘槽，以消除铁心的涡电流。4.根据权利要求3所述的立体三相变压器，其特征是，变压器铁心中有一条或数条由轴向绝缘槽构成的散热通道。5.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，其中铁轭外形为圆形，内框为圆弧形内三角，可以用于上轭和下轭中，或者用于上轭或下轭中之一。6.根据权利要求5所述的立体三相变压器，其特征是，圆弧形内三角铁轭中设有散热导管(30) ο7.根据权利要求1或权利要求2所述的三相立体变压器，其特征是，铁轭的截面为矩形或弧形；铁轭上有凹形圆槽结合面供与铁心的契合。8.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，铁心与铁轭间为平面结合；铁心与铁轭之间，或者两者中择一采用非取向磁材；或者铁心与铁轭间加有一层磁流过渡层。9.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，在铁心与铁轭结合面之间，含有粘结固化剂，或者还添加有导磁性微粒，导磁微粒可能是无机导磁体、有机导磁体，或纳米导磁体。10.根据权利要求1所述的立体三相变压器的制造方法，其特征是，制造方法包括以下工艺过程:铁心卷绕、绕组制造、铁轭卷绕、磁体结合面加工处理、磁体退火、变压器总装、变压器固紧和其它附件安装。
【文档编号】H01F27/14GK105989997SQ201510087528
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月25日
【发明人】於岳亮, 雷雪
【申请人】上海稳得新能源科技有限公司