一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的制作方法

本发明涉及变压器技术领域，更准确的说涉及一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构。

背景技术：

随着我国产业结构的逐渐变化，节能产品的重要程度也进一步提升。相应的，在变压器制造领域，对变压器的能耗及噪声要求也进一步提高，开发和推广高效节能的配电变压器是整个变压器行业关注的焦点。传统的变压器大多为叠铁心结构，如图1所示。开口式三角立体圆形卷铁心变压器是在闭口式立体圆形卷铁心基础上对铁心卷绕的结构进行优化改良，该变压器结构将传统叠铁心变压器与闭口式立体圆形卷铁心进行融合，结构如图2所示。开口式三角立体圆形卷铁心变压器比传统叠铁心变压器损耗更低，成本更低，比闭口式立体圆形卷铁心变压器生产工艺更简单，对设备的要求更低，可以轻松达到s13型变压器1级能效的损耗标准，符合国家对节能、绿色、环保的总体思路。开口式三角立体圆形卷铁心变压器是一种节能型变压器，它创造性地将硅钢传统加工工艺进行大胆改革创新，将剪折工艺集于一身，为变压器线圈装配预留了便捷的空间，使产品性能更为优化，可以提前生产线圈并能够快速装配，三个独立的几何铁心实际为六组折叠式铁心组合而成，因为加工工艺对硅钢的应力产生较小而获得较为优质的铁心性能。开口式三角立体圆形卷铁心变压器节电效果显著、噪音大大降低、散热及过载能力更强、结构紧凑体积小等。变压器三相线圈仅为每相线圈外径顶点一点与三相线圈的外接圆相切重合。因此，由于铁心截面积变化有限且线圈依旧是圆形，并未完全发挥其优势，随变压器容量及电压等级的增大，铁心形状也增大，油箱亦增大，油等材料也增加，相对传统变压器成本优势变得就不太明显，其适用范围也大大的受到限制。综上，可通过改变铁心结构对变压器进行结构优化，以提升其各项性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构，包括三个两两紧邻设置的铁心框，每两个相邻设置的铁心框形成一铁心柱，三个铁心框形成三个铁心柱，三个铁心柱呈品字状平行排列，且三个铁心柱截面相同为非圆形，三个铁心柱位于一铁心外切圆内，且三个铁心柱截面均具有与铁心外切圆重合的弧边，缠绕每个所述铁心柱绕制线圈形成变压器的三相，三相的线圈位于一线圈外切圆内，且三相的线圈截面均具有与线圈外切圆重合的弧边。

为了达到上述目的，本发明提供一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构，包括三个铁心框，三个所述铁心框两两相邻的设置，所述铁心框具有互相平行的两个框边，每两个相邻的所述框边组合形成一铁心柱，六个所述框边形成三个所述铁心柱，三个铁心柱呈品字状平行排列，且三个铁心柱水平截面外部具有一铁心外切圆，且三个铁心柱的水平截面均具有与铁心外切圆重合的弧边。

优选地，环绕所述铁心柱绕制一线圈，所述线圈具有一弧形部，且所述线圈中部具有一圈心，所述铁心柱填充所述圈心，且所述弧边与所述弧形部对齐。

优选地，两个所述框边水平截面相邻处的空隙形成一油道，所述弧边与所述油道相交处具有一缺口。

优选地，所述铁心柱水平截面远离所述缺口的一端具有一倒角。

优选地，所述铁心框由多层片层组合叠加构成。

优选地，所述铁心框具有两个平行的横向框边，两个所述框边端部分别通过所述横向框边连接，两个所述框边和两个所述横向框边环绕形成一窗口。

优选地，所述铁心框由多层片层组合叠加构成，所述片层沿远离所述窗口的方向扩展叠加。

优选地，所述铁心柱水平截面填充所述圈心水平截面，在所述铁心柱水平截面建立x轴、y轴坐标系，以所述铁心外接圆的圆心为坐标系原点，所述油道与所述x轴为所述坐标系原点，通过计算所述铁心柱中每个所述片层的水平截面端点坐标及每所述片层的面积，确定所述铁心柱水平截面的形状尺寸。

与现有技术相比，本发明公开的一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的优点在于：三相立体非圆形开口式卷铁心结构结构更加紧凑，重量更轻，空载损耗低、空载电流小、铁心利用率高，填充率高，可实现零浪费套裁，用油量少，能效性能更佳，制造成本更低；采用本申请的三相立体非圆形开口式卷铁心结构，线圈安装及拆卸更加方便，降低生产成本的同时方便维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为现有技术变压器的叠铁心结构的示意图。

如图2所示为现有技术变压器的三角立体圆形卷铁心结构的示意图。

如图3所示为本发明一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的截面示意图。

如图4所示为本发明一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的铁心框的示意图。

如图5所示为本发明一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构应用的非圆形线圈的示意图。

如图6所示为本发明一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的铁心柱截面示意图。

如图7所示为本发明一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的铁心柱截面积计算的坐标图。

如图8所示为本发明一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构的铁心柱截面积计算的示意图。

具体实施方式

如图3和图4所示，本申请的一种三相立体非圆形开口式卷铁心结构包括三个铁心框10，三个所述铁心框10结构尺寸相同，且三个所述铁心框10两两相邻的设置，三个所述铁心框10的纵向截面为类三角形。具体的，所述铁心框10具有互相平行的两个框边11，所述铁心框10还具有两个平行的横向框边12，两个所述框边11端部分别通过所述横向框边12连接，两个所述框边11和两个所述横向框边12环绕形成一窗口13。具体的，所述铁心框10由多层片层111组合叠加构成，且所述片层111沿远离所述窗口13的方向扩展叠加，即沿远离所述窗口13方向的每一层所述片层111均嵌套在相邻的所述片层111内部，直至最外围的所述片层111。每两个相邻的所述框边11组合形成一铁心柱20，六个所述框边11共形成三个所述铁心柱20。三个所述铁心柱20的结构尺寸相同。三个所述铁心柱20的水平截面外围定义一铁心外接圆21，三个所述铁心柱20的水平截面均部分与所述铁心外接圆21相切。三个所述铁心柱20的水平截面形状尺寸相同，且三个所述铁心柱20的水平截面均为非圆形形状，所述铁心柱20水平截面具有弧边与所述铁心外接圆21相切。在所述铁心柱20上绕制线圈，形成的线圈水平截面也具有弧边。设计所述铁心柱20水平截面为上述形式，与相同截面积的圆形铁心柱相比，所述铁心外接圆21的直径更小，从而铁心结构更紧凑，变压器器身体积更小，节省制造所需的材料。

参考图5和图6，所述三相立体非圆形开口式卷铁心结构在制造过程中，首先需要试制一线圈30，所述线圈30的形状尺寸根据实际需要设计，且所述线圈30绕制形成，所述线圈30最终成型的形态由所述线圈30的材料及绕制工艺决定。所述线圈30绕制后具有一弧形部301，且所述线圈30中部具有一圈心302，所述圈心302的水平截面为非圆形形状，所述圈心302的水平截面具有一圈心弧形边，且所述圈心弧形边与所述弧形部301朝向所述圈心302的部分重合。所述圈心302中填充所述铁心柱20，所述铁心柱20的形状尺寸需要根据所述圈心302的形状尺寸进行设置。在制造出所述铁心柱20后，环绕所述铁心柱20形成所述线圈30。

为了保证所述铁心柱20在所述圈心302中的填充率，即需要所述铁心柱20水平截面与所述圈心302水平截面最大程度的重合。具体的，所述铁心柱20由两个所述框边11紧邻设置组成，两个所述框边11相邻处的空隙形成一油道202。所述铁心柱20水平截面与所述弧形部301接触处具有一弧边201，所述弧边201与所述圈心弧形边重合。所述弧边201与所述油道202相交处具有一缺口203。所述铁心柱20远离所述缺口203的一端具有一倒角204。组成所述框边11的每一层所述片层111截面均为四边形，所述片层111截面共同构成所述铁心柱20截面。为了使所述铁心柱20尽可能填满所述圈心302，所述铁心柱20在设计制造时，需要根据所述圈心302的水平截面形态来确定每层所述片层111的形状尺寸，再将所有所述片层111组装在一起形成三个所述铁心框10，再将三个所述铁心框组合在一起形成三个所述铁心柱20。

为了确定所述铁心柱20的水平截面面积及组成所述铁心柱20的各所述片层111的形状尺寸，需要计算求出组成所述铁心柱20的所述框边11的形状尺寸，进一步需要计算求出组成所述框边11的所述片层111的形状尺寸。参考图4、图7以及图8，具体计算方法如下。

首先在所述片层111水平截面建立x轴、y轴坐标系，以所述铁心外接圆21的圆心为坐标系原点。所述油道202宽度设为u，所述油道202截面具有一中轴线，所述中轴线与x轴的夹角为60°。每层所述片层111的较长边均与x轴平行。所述铁心外接圆21半径设为r。所述窗口13的窗宽为hww，窗高为hwh。所述框边11水平截面上定义一半径为r的小圆，且所述小圆与所述铁心外接圆21相切，同时所述小圆与所述框边11朝向所述窗口13的侧边相切。所述倒角204的半径为dr。所述小圆与所述弧边201的相交点记为d，d沿x轴方向与所述油道201的相交点记为ad。图7中a、a1、a2、a3、am、ae1、ae均为各个所述片层111与所述油道202的相交点，图7中的b、c、f、f1、f2、f3、fm、e1、e均为各个所述片层111位于所述铁心柱20水平截面外围的相交点。由于所述框边11的所述片层111层数不固定，在计算上述各点在坐标系中的坐标时需根据情况进行确定。

如图8所示，每层所述片层111的水平截面的层高由δn表示，依次为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δm，所有所述片层的总层厚为δ。所述片层111连接处的层宽由b表示，依次为b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、bn。其中bn为最小，即为bmin，其余层宽中最大的记为bmax。

具体的，据铁心材料确定可定制造所述片层111的料带厚度为ph，所述框边11水平截面的面积通过如下方式进行计算。

所述油道202的中轴线直线方程为：

y＝tan60°x(1)

所述油道202与所述框边11交界线的直线方程为:

y＝tan60°x-(u/2)/cos60°(2)

记所述倒角204的圆心坐标为dr(xdr,ydr)，则所述倒角的方程为：

(x-xdr)²+(y-ydr)²＝dr²(3)

结合方程(2)和(3)可计算出a的坐标值a(xa,ya)。

所述铁心外接圆21的方程为：

x²+y²＝r²(4)

由于所述小圆与所述铁心外接圆21相切，可通过方程(4)及小圆半径计算得到所述小圆圆心坐标r(xor,yor)，以及所述小圆的方程为：

(x-xor)²+(y-yor)²＝r²(5)

结合方程(4)和(5)可计算出d的坐标值d(xd,yd)。

由于所述小圆同时与bc边相切，可进一步计算出坐标b(xb,yb)、c(xc,yc)、f(xf,yf)及层高δ1和层宽b1、b2。

由bmin的值结合方程(2)和(4)，可求得e(xe,ye)、ae(xae,yae)。

由于b1+b2＝b7+bn，在a、b、c、f、e、ae坐标已知的情况下，可计算得到b7，结合方程(2)和(4)，可求得e1(xe1,ye1)、ae1(xae1,yae1)。

在已知上述点的坐标时，可计算出δ、δ1、δm。

在已知上述数据的情况下，可计算abcf层的中线长cp1，bmin层的中线长cpn。

进而可计算，abcf层的料带总长：lp1＝1.5×cp1×(δ1/ph)；

bmin层的料带总长：lpn＝1.5×cp1×(δn/ph)；

各片层料带总长：lp＝lp1+lpn/2；中间料带中线长为cp中；中间料带总长为lp中；中间料带可分组数：n＝lp中/lp(进位取整)。

根据上述相关公式及求得的数据，可求得每个所述片层111的层厚、层宽以及各个点的坐标。根据这些数据可求得每个所述片层111的水平截面面积，进而求得所述框边11水平截面的面积。同时可通过各个点的坐标确定所述框边11的形态。

如下表1所示以s13-m-400/10二级能效配电变压器为例，列出了本申请的所述三相立体非圆形开口式卷铁心结构与现有技术的铁心结构应用中各种性能数据的对比情况，由表中可以看出，使用所述三相立体非圆形开口式卷铁心结构空载损耗较立体三角铁心下降10.3％，铁心重量下降9.6％，负载损耗和铜线重量下降2.2％。

表1不同类型铁心应用在s13-m-400/10二级能效配电变压器中的性能对比

可见，通过改良优化铁心结构，可以有效提高变压器的各项性能。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。