专利名称：制造变压器卷铁芯元件的四维成型模具和卷铁芯元件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种制造变压器卷铁芯元件的四维成型模具和采用该模具获得的卷铁芯元件，三个卷铁芯元件合成立体卷铁芯，属于电力变压器的铁芯制造技术领域。
背景技术：
众所周知，铁芯是构成电力变压器磁路不可缺少的核心部件，它由铁芯柱和铁轭两部分组成，铁芯柱上套装有绕组，而铁轭使整个磁路形成闭合回路。现有卷绕式铁芯(简称卷铁芯)由一硅钢带连续卷绕制成，三维立体卷铁芯由三个卷铁芯元件合成，这种铁芯的具有相同的平行中心线的三个铁芯柱呈三角形布置，每个芯柱由两个相邻卷铁芯元件两两扣合而成，构成由三个框架组合成的三相变压器的三柱立体结构，在垂直于中心线的横截面上三个铁心柱的中心的连线为等边三角形，三相绕组套装在三个铁心柱上，成正三角形布置。由于三个铁芯柱体的磁路对称分布，使得空载电流也是对称分布，卷铁芯特别是立体卷铁芯比传统的叠层式铁芯具有显著的优点，整体体积更小、铁芯损失减小，因此具有更多的优势。目前立体卷铁芯元件的制作采用了卷绕成形法，即将一张裁剪好的铁芯片料(也叫导磁材料、带材、铁芯胚材)通过卷绕设备卷制成卷铁芯元件。下面结合四个现有技术专利举例说明卷绕成形法及用该方法制造卷铁芯存在的问题。专利号为01215038. X的实用新型公开了一种D型卷绕式三维立体变压器，它的卷铁芯元件为采用卷绕成形法制成的由4个直部组成的矩形铁芯，由于这种铁芯结构的导磁材料在两个直部之间不可避免地形成了集中的剧烈的弯曲变形，所以应力集中在四个角的弧部，应力不均匀导致铁芯稳定性较差，且没有设置开/闭轭结构，然而无开/闭轭结构的卷铁芯元件对于后续的套装绕组工艺和更换绕组操作增添了极大的困难。专利号为97221225. 6的实用新型公开了一种变压器铁芯卷绕装置，从它可进一步了解卷绕成形法各工序所动用的专用设备多，工艺操作复杂，生产效率低，制造成本昂贵，需要较大的卷绕拉力，由于多层并联的导磁材料存在的弹力给铁芯定形造成困难，较大的卷绕拉力仍不能有效压紧铁芯，并且还会使导磁材料的内部晶格发生改变需增加后续回火处理工艺予以恢复。专利号为02130844. 6的发明专利公开了一种空间三角对称R型电力变压器铁心卷绕成形控制方法，它是卷绕成形法的辅助方法，该方法采用复杂的运动控制装置，以对带材在卷绕工艺中的运动进行实时检测和纠偏，使带材从准确的位置送入卷绕设备，运动控制装置还可控制步进电机的速度，以实现对带材的送进速度的实时纠偏，显然，该减小铁芯横截面和实体的成形误差的控制装置非常复杂。由于卷绕成形法卷制的卷铁芯元件不宜设置开/闭轭结构的自身闭合铁芯，所以无法在芯柱上套装已绕制成的绕组部件，为解决这一问题，01248127. O号实用新型专利提供了一种卷铁心绕线机，通过这种卷铁心绕线机，可以在自身闭合铁芯上直接绕制线绕组，但绕制箔绕组还需专门的设备。由此可见，现有技术的铁芯卷绕成形法很难制作套装箔绕组的卷铁芯，存在作业性恶化的诸多问题，这些不利影响使其发展与应用受到严重制约。发明内容本实用新型的目的是提供一种克服了上述作业性恶化的诸多问题的用于制造新式变压器立体卷铁芯的四维成型模具，构成这种变压器铁芯的三个卷铁芯元件中的每个卷铁芯元件由多层开口对接式导磁片料叠卷而成。通过将铁芯截面(二维)和外形(二维)同时定形，并利用开口对接式铁芯片料的弹力帮助压紧自身，解决了现有卷绕法需要较大的卷绕拉力而导致的诸多问题，且可利用短料，可减小磁阻，制造成本低。本实用新型的另一个目的是提供一种用四维成形模具制造的卷铁芯元件，采用本实用新型的四维成型模具制造的卷铁芯元件具有双弧形跑道外形，应力均匀，稳定性很好。为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的几种技术方案。—种四维成型模具，用于将铁芯片料制成卷铁芯元件，该四维成型模具2包括基座20和多个固定件21，所述基座20上设有成型槽201和用于容纳预埋固定件21的预埋槽202，所述的各固定件21分布在成型槽201上，用于将铁芯片料I固定、并预定形为卷铁芯预形12。所述的成型槽201具有封闭的环形框架形状结构2013，用于约束卷铁芯元件10的外形成型；所述的成型槽201的横向截面为二维芯柱截面形状结构2011，其纵向截面为二维环路截面形状结构2012，分别用于约束卷铁芯元件10的芯柱、轭的截面成型，以使卷铁芯元件10在所述成型槽201内同时实现外形和截面的定形。所述的预埋槽202分别围绕环形的成型槽201设置，所述的固定件21安装在对应的预埋槽202内，固定件21本身并不侵占成型槽201内的由二维芯柱截面形状结构2011限定的空间和由二维环路截面形状结构2012限定的空间。其中所述的成型槽201的二维芯柱截面形状结构2011设置在成型槽201的两个相对的直部上，所述的成型槽201的二维环路截面形状结构2012设置在成型槽201的两个相对的弧部上，并且由所述的两个直部和两个弧部首尾交替相互衔接围成成型槽201。其中所述的固定 件21包括刚性固定件211、柔性固定件212和垫块213，所述的刚性固定件211包括预埋固定件211a和紧固固定件211b，预埋固定件211a具有与待定形的卷铁芯元件10的截面形状一致的结构，紧固固定件211b配合预埋固定件211a紧固定形铁芯片料I。其中所述的柔性固定件212为能用于捆绑的丝、绳或带。其中所述的预埋固定件211a与紧固固定件211b之间设有可拆卸的固定连接结构。根据本实用新型的如上所述的模具所制造的卷铁芯元件10，该卷铁芯元件10包括依次首尾相接的第一直部、第一弧部、第二直部和第二弧部，卷铁芯元件10的纵切面为上下带有双弧形的跑道形状，三个卷铁芯元件10的六个直部分别两两结合形成所述的三相三柱立体变压器铁芯结构的三个铁柱100a，其横截面为真圆或近似真圆形。三个卷铁芯元件10的六个弧部形成联接三个铁柱的上下六个铁轭100b，且轭柱比固定。所述的每个卷铁芯元件10的两个直线部上分别设有沿其中心线伸展的冷却槽13，并且相邻的两个卷铁芯元件10上的两个冷却槽13的槽口两两相对扣合，从而在每个所合成的铁芯柱内部形成一条横截面为孔形的内冷通道13，13。所述的内冷通道(13，13)的上端或上下两端具有与变压器冷却绝缘介质连通的开口。所述的内冷通道(13，13)沿铁芯柱的中心线贯通整个或部分铁芯柱。[0014]本实用新型采用的四维成形法无需卷绕成形法所必须的卷绕机、运动控制装置等专用设备，占有场地和动力小，基于模具约束原理，采用简单的模具设备便可完成从铁芯片料到卷铁芯元件的成形加工，并可实现成形工艺与开轭工艺同时完成，还能实现铁芯片料的套裁和短料利用，由于容易确定每层铁芯展开的长宽厚，可大大降低制造出复杂外形结构和复杂横截面结构的铁芯的难度，突破了现有变压器制造无法制成用户所需复杂形状结构的禁区。采用本实用新型四维成形模具制造的卷铁芯元件上带有开/闭轭结构，不必开轭切割，便于绕组的安装和更换，其纵表面为具有双弧形特点的跑道形，各点应力均匀，不仅稳定性好，而且工艺简单，易于卷紧控制。
图1至图3是本实用新型的四维成型模具2的结构示意图，图中示出了四维成型模具2的基座20和固定件21的形状结构，其中图1是四维成型模具2的主视图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图2的B-B剖视图。图4至图6是进一步展示图1所示的四维成型模具2的基座20的形状结构示意图，其中图4是基座20的主视图，图5是图4的C-C剖视图，图6是图5的D-D剖视图。图7至图9是经图1-6所示模具制成的卷铁芯元件10的形状结构示意图，其中图7是主视图，图8是图7的M-M剖视图，图9是图7的N-N剖视图。图10是由三个卷铁芯元件10合成的变压器立体卷铁芯的铁芯柱的真圆型截面结构的示意图。 图11是三相内冷式立体卷铁芯变压器的整体外观结构的俯视图。
具体实施方式
图1-11是展示本实用新型的四维成型模具及采用该模具制造变压器卷铁芯元件方法的各实施方式的图。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。本实用新型的变压器立体铁芯包括套装绕组的铁柱、联接各铁柱构成闭合磁路的铁轭和夹紧装置，如图10、11所示，铁芯的三个铁柱具有平行的相同的对称中心线，呈正三角形布置，所述的三个铁柱与上下六个铁轭共同构成三相三柱立体铁芯结构，该立体卷铁芯结构由三个相同的卷铁芯元件10的铁柱两两组合而成，铁柱的横截面的外周是真圆或近似圆形，优点是电场均匀。每个卷铁芯元件10包括依次首尾相接的第一直部、第一弧部、第二直部和第二弧部，其中两个直部的高度相同，两个弧部的曲率半径相同，并且三个卷铁芯元件10的六个直部分别两两结合形成所述的三相三柱立体铁芯结构的三个铁柱，三个卷铁芯元件10的六个弧部形成联接三个铁柱的上下六个铁轭，上轭下轭均是半圆形，且轭柱比是固定的。每个卷铁芯元件10的纵切面为上下带有双弧形的跑道形状，以使应力均匀。如图11所示，每个卷铁芯元件10的两个直线部上分别设有沿其中心线伸展的冷却槽13，并且相邻的两个卷铁芯元件10上的两个冷却槽13的槽口两两相对扣合，从而在每个所合成的铁芯柱内部形成一条横截面为孔形的内冷通道13，13，内冷通道(13，13)的上端或上下两端具有与变压器冷却绝缘介质连通的开口。所述的内冷通道(13，13)沿铁芯柱的中心线贯通整个或部分铁芯柱。[0022]图1至图3是本实用新型的用于制造卷铁芯元件10的四维成型模具2的结构示意图，实施例中的四维成型模具2包括带有成型槽201与预埋槽202的基座20和带有垫块213的固定件21，各固定件21分布在成型槽201上，形成在基座20上的成型槽201具有封闭的环形框架形状，用于将卷铁芯元件10在其内部定形成型，多个预埋槽202分布设置在成型槽201的环形框架形状上，用于预埋固定件21。图1-3中示出了四维成型模具2的基座20和固定件21的形状结构，图2、3展示出固定件21包括刚性固定件211和柔性固定件212，刚性固定件211包括预埋固定件211a和紧固固定件211b，预埋固定件211a具有与待定形的卷铁芯元件10的截面形状一致的结构，不仅具有捆绑紧固的功能，而且还具有将铁芯片料I约束定形的作用，紧固固定件211b起到配合预埋固定件211a紧固定形铁芯片料I的作用。柔性固定件212可以是绳、带、丝等，用于捆绑卷铁芯元件10。[0023]图1为本实用新型的四维成型模具2的主视图，现以图1所示的投影面作为正面说明如何通过四维成型模具2的基座20上的成型槽201将铁芯截面(二维)和外形(二维)同时定形。图1示出了基座20上的成型槽201具有的正面形状结构是一个二维框架正面形状结构2013，为封闭的环形框架形状，用于定形卷铁芯元件10的外形(二维)。图2是图1的A-A剖视图，图3是图2的B-B剖视图，图2、3中分别示出了成型槽201的两个相对的弧部区域具有二维环路截面形状结构2012、成型槽201的两个相对的直部区域具有二维芯柱截面形状结构2011，它们分别用于同时定形卷铁芯元件10的铁芯截面(二维)，包括铁柱和铁轭的铁芯截面(二维)。图2还示出了形成刚性固定件211且相互配合的预埋固定件21 Ia和紧固固定件21 Ib，图3中还示出了基座20上的固定件21中的刚性固定件211、柔性固定件212和垫块213。下面举例说明本实用新型的四维成型模具2的基座20的实施方式。图4至图6是进一步展示图3所示的四维成型模具2的基座20的形状结构示意图，图4-6中示出了基座20及其上的成型槽201的结构和分布在成型槽201上的预埋槽202的结构。其中图4是基座20的主视图，图4中示出了基座20上的成型槽201的二维框架正面形状结构2013和分布在成型槽201上的预埋槽202的结构；图5是图4的C-C剖视图，图5中示出了基座20上的成型槽201的二维环路截面形状结构2012以及成型槽201与预埋槽202的纵向截面的形状结构；图6是图5的D-D剖视图，图中示出了基座20上的成型槽201的二维芯柱截面形状结构2011、成型槽201与预埋槽202的横向截面的形状结构。各固定件21安装在对应的预埋槽202内，这些固定件21不侵占所述的成型槽201内的由二维芯柱截面形状结构2011限定的空间和由二维环路截面形状结构2012限定的空间。图7至图9是采用本实用新型的四维成型模具所形成的卷铁芯元件10的形状结构示意图，其中图7是主视图，图8是图7的M-M剖视图，图9是图7的N-N剖视图。将四维成型模具2的固定件21预装在四维成型模具2的基座20上的预埋槽202内，将铁芯片料I按层序摆放在四维成型模具2的基座20的成型槽201内，利用铁芯片料I的弹性变形和成型槽201上用于约束芯柱成型的二维芯柱截面形状结构2011、用于约束环路成型的二维环路截面形状结构2012以及用于约束框架成型的二维正面形状结构2013，同时将铁芯片料I在基座20的成型槽201内约束成卷铁芯雏形11，接着用固定件21和/或分段焊接固定，将卷铁芯雏形11预定形成卷铁芯预形12。然后将卷铁芯预形12连同固定件21 —起从基座20退出，形成卷铁芯成形件13。此时，卷铁芯元件已定形，卸掉固定件21后，图7-9中的卷铁芯元件10不再依靠固定件21定形，图7中示出了卷铁芯元件10由铁柱100a、铁轭IOOb共同围成，具有环形框架结构100a，卷铁芯元件10上带有开轭结构100d。图8中示出了卷铁芯元件10具有两个圆弧部分的环路截面形状结构100c，对应铁轭部分；图9中示出了卷铁芯元件10的芯柱截面形状结构100b，对应套装线圈的铁柱部分。 每个卷铁芯元件10由多层具有弹性的开口对接式的铁芯片料I在四维成型模具2内叠卷制成，每个铁芯片料I的开口交错设置，开/闭轭结构设置在每个片料I的对接开口处。每个铁芯片料I为开口对接式，其弹力有助于套装线圈，也有助于铁芯自身压紧。从四维成型模具2退出的成型的卷铁芯元件在变压器基座上安装成三维立体开轭铁芯，套装线圈及安装撑条后闭轭，再用树脂胶合成整体。每个铁柱由两个卷铁芯元件10合成后用环氧玻璃粘带绑扎，之后加热固化。铁轭按常规方式用型钢或钢板制成的夹件通过螺杆的上下螺母夹紧，或者采用热缩带、无纺布带、浸油布带、钢带作为夹紧带扎紧。这些安装固定部件不在本实用新型要解决的技术问题的技术方案的范围内，所以本实用新型的权利要求对这些部件的技术方案未作具体限定，本实用新型的说明书也省略了对这些部件的描述。本实用新型提供了充分利用工业化专业分工、流水线生产的方式，可由现有铁芯开料厂按要求的尺寸形成铁芯片料，送铁芯生产厂通过四维成型模具制成卷铁芯元件10。上述各实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本实用新型的，本领域普通技术人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限。
权利要求1.一种四维成型模具，用于将铁芯片料(I)制成卷铁芯元件(10)，其特征在于 所述的四维成型模具(2)包括基座(20)和多个固定件(21)，所述基座(20)上设有成型槽(201)和用于容纳预埋固定件(21)的预埋槽(202)，所述的各固定件(21)分布在成型槽(201)上，用于将铁芯片料(I)固定、并预定形为卷铁芯预形(12)； 所述的成型槽(201)具有封闭的环形框架形状结构(2013)，用于约束卷铁芯元件(10)的外形成型；所述的成型槽(201)的横向截面为二维芯柱截面形状结构(2011)，其纵向截面为二维环路截面形状结构(2012)，分别用于约束卷铁芯元件(10)的铁芯柱、轭截面成型，以使卷铁芯元件(10)在所述成型槽(201)内同时实现外形和截面的定形； 所述的预埋槽(202)分别围绕环形的成型槽(201)设置，所述的固定件(21)安装在对应的预埋槽(202)内、且不侵占所述的成型槽(201)内的由二维芯柱截面形状结构(2011)限定的空间和由二维环路截面形状结构(2012)限定的空间。
2.根据权利要求1所述的四维成型模具，其特征在于所述的成型槽(201)的二维芯柱截面形状结构(2011)设置在成型槽(201)的两个相对的直部上，所述的成型槽(201)的二维环路截面形状结构(2012)设置在成型槽(201)的两个相对的弧部上，并且由所述的两个直部和两个弧部首尾交替相互衔接围成所述的成型槽(201)。
3.根据权利要求1所述的四维成型模具，其特征在于所述的固定件(21)包括刚性固定件(211)、柔性固定件(212)和垫块(213)，所述的刚性固定件(211)包括预埋固定件(211a)和紧固固定件(211b)，预埋固定件(211a)具有与待定形的卷铁芯元件(10)的截面形状一致的结构，紧固固定件(211b)配合预埋固定件(211a)紧固定形铁芯片料(I)。
4.根据权利要求3所述的四维成型模具，其特征在于所述的柔性固定件(212)为能用于捆绑的丝、绳或带。
5.根据权利要求3所述的四维成型模具，其特征在于所述的预埋固定件(211a)与紧固固定件(211b)之间设有可拆卸的固定连接结构。
6.一种采用权利要求1-5中之一的四维成型模具所制造的卷铁芯元件，其特征在于所述的卷铁芯元件(10)包括依次首尾相接的第一直部、第一弧部、第二直部和第二弧部，卷铁芯元件(10)的纵切面为上下带有双弧形的跑道形状。
7.根据权利要求6所述的卷铁芯元件，其特征在于所述的三个卷铁芯元件(10)的六个直部分别两两结合形成所述的三相三柱立体变压器铁芯结构的三个铁柱(IOOa)，其横截面为真圆或近似真圆形，三个卷铁芯元件(10)的六个弧部形成联接三个铁柱的上下六个铁轭(100b)，且轭柱比固定。
8.根据权利要求6所述的卷铁芯元件，其特征在于所述的每个卷铁芯元件(10)的两个直线部上分别设有沿其中心线伸展的冷却槽(13)，并且相邻的两个卷铁芯元件(10)上的两个冷却槽(13)的槽口两两相对扣合，从而在每个所合成的铁芯柱内部形成一条横截面为孔形的内冷通道(13，13)。
9.根据权利要求8所述的卷铁芯元件，其特征在于所述的内冷通道(13，13)的上端或上下两端具有与变压器冷却绝缘介质连通的开口。
10.根据权利要求8所述的卷铁芯元件，其特征在于所述的内冷通道(13，13)沿立体卷铁芯的铁芯柱中心线贯通整个或部分铁芯柱。
专利摘要本实用新型涉及一种制造变压器卷铁芯元件的四维成型模具和卷铁芯元件，该模具包括基座和多个固定件，基座上设有约束卷铁芯元件外形成型的成型槽和用于容纳预埋固定件的预埋槽，预埋槽分别围绕环形的成型槽设置。各固定件分布在成型槽上，安装在对应的预埋槽内且不侵占所述的成型槽内的由二维芯柱截面形状结构限定的空间和由二维环路截面形状结构限定的空间，用于将铁芯片料固定预定形为卷铁芯预形。成型槽具有封闭的环形框架形状结构，其横向截面为二维芯柱截面形状结构，其纵向截面为二维环路截面形状结构，分别用于约束卷铁芯元件在同时实现外形和截面的定形。本实用新型的四维成型模具可充分利用工业化专业分工、流水线生产的方式制成立体卷铁芯所需的各卷铁芯元件。
文档编号B21F3/00GK202871559SQ20122045137
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者马志刚 申请人:广东岭先技术投资企业(有限合伙)