CN1008412B - 采用新型线圈组件的变压器 - Google Patents

Abstract

具有至少包括一铁心柱的铁心和线圈组件的变压器，该线圈组件包括：第一绕组，呈圆形地至少环绕所述铁心柱的一部分；第二绕组，呈圆形地至少环绕第一绕组的一部分，且彼此留有一间隔；第一支承件，置于第一和第二绕组之间，以制止第二绕组相对于第一绕组的轴向运动；和第二支承件，至少被安置于第二绕组的圆柱外表面的一部分之周围，以制止第二绕组相对于第一绕组的径向运动。封装材料，被安置在第一绕组和铁心柱之间，第一和第二绕组之间，以及在第二支承件的周围，以构成一整体装置。

Description

本发明涉及具有新型线圈支承装置的变压器，并尤其涉及到这样一种线圈组和支承装置：在其内部，构成该变压器的初级和次级绕组、或线圈的导线，同轴地绕在该变压器的一段铁心、或一个铁心柱上，并被封装成一整体结构。

在一特种变压器中，一对各自为复杂交叉的空心绞线，一般用铜制造，线中通以循环液体，使其冷却;这对绞线呈圆筒形、同轴地缠绕并沿着该变压器的一段铁心、或一个铁心柱，螺旋形地延伸以形成有各自径向间隙的该变压器的初级和次级绕组。初级和次级绕组的实际命名由这两个绕组端子的引线所确定。对本发明来说，哪个绕组实际上为初级哪个绕组实际上为次级是不重要的。

通常将奇数根导线换位以构成一个绕组，其目的在于减少在任何一根导线上的漏磁通。本发明适用于一个变压器的所有绕组，不管构成该绕组的导线是一条还是许多条，也不管构成该绕组的导线是空心的、以使冷却液有可能在其内循环、还是实心的。

在这些导线被缠绕在这一铁心柱上以后，这些导线必须得到足够的径向和轴向的支承，以承受并顶得住因某种故障（如二个绕组中任一绕组的端子之间发生突然短路）而产生使绕组中电流显著增加的力。这样一种故障所产生的力试图使径向里层的绕组向内凹陷，并使径向外层的绕组向外突起。该凹陷和/或突起力的大小，取决于该故障所产生的电流值，该绕组匝数，以及线圈直径与高度之比。另外，绕组之间轴向不同心会产生起因于该故障的电流，从而产生力图在绕组间的支承物上施 加剪切作用（即大致平行于这些绕组的纵向轴线）的轴向力。该轴向、或剪切力的大小取决于绕组之间轴向不同心度，和该故障所产生的电流值。

此外，为使变压器有效的工作，该支承装置必须能够承受热力，这些热力来自：变压器运行期间导体中热损耗IR致使线圈温度超过预期的环境温度;铁心中的涡流损失和磁滞损失，以及来自落到绕组的轴线两端的漏磁通。再者，该支承装置必须约束运行期间的振动力。在某些变压器中，变压器的铁心元件是由许多铁心片叠制成的。众所周知，在运行期间变压器的铁心片受到电流，例如涡流所产生的、存在于铁心片之间的振动力;那些由变压器的磁通在铁心片中所感应的电流产生的该铁心内部的磁致伸缩力。该支承装置必须良好地约束、承受并顶得住长期运行过程中所有这些力的作用，还必须容易制造，以使成本最低。

本发明所提出的这种类型的变压器是液冷式的，举例来说，它可用于大型电动发电机的激励系统中。在一份题为《用于电动发电机的液冷式静态激励系统》的共同待批专利申请中，对这样一个激励系统及其连带的变压器作了说明，该专利申请的申请号为776331，于1985年9月16日提出申请，（现为美国专利4682068）并已转让给本申请的受让人。预料，本发明可以最有利地用于额定功率约为3000千伏安到约10，000千伏安的变压器。然而，额定功率范围的表示，并非用来限制本发明的应用。在这一功率等级的发电机中，在冷却水入口温度约为45℃时，一般运行中变压器可以经受大约15℃的温升。

因此，本发明的一个目的是：提供用于变压器的线圈支承装置，该装置对构成该变压器的初级和次级绕组的线圈起到径向和轴向的支承作用，足以约束和经受住因例如某绕组的端子之间突然短路的故障所引起的力的作用。

本发明的另一个目的是：提供能够承受热力的线圈支承装置，该热 力的起因是：在运行期间线圈温度超过预期的环境温度。

本发明还有一个目的，即提供一个线圈支承装置，用以约束和经受住在运行期间，作用于变压器的铁心片上的振动力。

根据本发明的变压器有一铁心和线圈组件，该铁心至少包括有纵轴线的一铁心柱，该线圈组件包括环绕一绕线架形成的第一绕组，该绕组呈圆形地至少环绕该铁心柱的一部分，且彼此留有一定的间隔;包括第二绕组，该绕组呈圆形地至少环绕所述的第一绕组的一部分，且彼此留有一定的间隔;包括诸如轴向延伸的绝缘棒之类的第一支承件，该支承件被置于第一和第二绕组之间，包括一个留有一定间隔的环状棒组并至少靠紧固环将绕组固定在该间隔棒上，从而限制该第一和第二绕组之间的轴向相对运动;包括第二支承件，该支承件至少被安置于所述第二绕组的圆柱外表面的一部分的周围，所述第二支承装置包括一个玻璃布绕组，用以限制第二绕组相对于第一绕组的径向运动;包括第一、第二和第三密封件，这些密封件均包含有浸透了树脂的玻璃纤维并分别置于所述的铁心柱和所述绕线架内表面之间，所述的第一和第二绕组之间，以及围绕第二支承件的圆柱外表面，从而形成包括第一和第二绕组，第一和第二支承件，以及第一、第二和第三密封件的一个整体结构。

该第一和第二绕组可能各自包括一条空心导线或许多条交叉的空心导线，以容纳冷却导线的冷却液。该变压器还可以进一步包括，供冷却这一铁心柱用的、至少与这一铁心柱保持热交换联系的热交换器。

参考结合附图所作的详细描述，便可充分理解本发明本身的构造和制作方法，以及其进一步的目的和优点。

图1是具有根据本发明的线圈支承装置的变压器的立视图。

图2为沿图1的2-2线的截面剖视图。

图3A为沿图2的2-2线的截面剖图。

图3B为图3A所示的导线37放大的横剖视图。

图3C为图3A所示的导线27放大的横剖视图。

参照图1，所示的变压器包括根据本发明的线圈支承装置（为清楚和易理解起见，模子46被去除）。图示的变压器系具有线圈12、14和16的三相变压器。不用说，本发明适用的变压器所具有的线圈数可以是任意的，例如，本发明可用于单相变压器。线圈12、14和16分别至少环绕变压器铁心20的铁心柱22、24和26的一部分，且各自与其所环绕的铁心柱有磁通相连。铁心柱22、24和26的两端分别与铁心20的轭21和23相连。正如本技术领域普遍所认为的那样，铁心20包括许多构成铁心柱22、24和26，以及轭21和23的铁心片，这些铁心片造型合适，叠片对齐，同时要避免这些铁心片间存在缝隙。这些铁心片共同确定了该变压器的主磁通路径。将铁心20的这些铁心片对齐，以形成各自以铁心柱22和24，和以24和26，以及轭21和23为界的窗孔11和13，以容纳线圈12、14和16。一对夹紧用槽钢，其中之一标为32，另一对夹紧用的槽钢，其中之一标为34，这二对夹紧用的槽钢各自将轭21和23夹在其中。夹紧用的槽钢32和34被用力夹在一起，结果分别将轭21和23和铁心片紧紧地夹在其中。在铁心柱22、24、26和夹紧用的槽钢32、34之间各自安置有一对支承板15、17和19。支承板15、17和19的两端为T型，该T型端固定到夹紧用槽钢32、34的各自的凹槽中。使得在夹紧用槽钢32处能将整个变压器吊起，而不搞乱这些铁心片，线圈12、14和16，或夹紧用槽钢34的相对定位关系。

参照图2，所表示的是沿图1的2-2线的截面剖视图。虽然对于线圈16的支承装置作了详细的表示，但很显然，线圈12和14的支承装置可以用类似的方法制成。将构成变压器铁心20的铁心柱26的很多铁心片按大小排列，且适当叠堆，以使这些铁心片的最大金属量被限制在一般圆柱面的界限内。所示散布在构成变压器的铁心柱26（及轭21和23）的铁心片之间的，并与其有热流相通的，是很多的冷却液（如水）的密封 槽28（图中画了其中的三个）。这些密封槽用于把冷却液适当地封闭在槽内，并使铁心20冷却。

有内表面41的绕线架40，呈圆形环绕铁心柱26，且彼此之间留有一定的间隔。绕线架40可用例如玻璃纤维之类的绝缘材料制成。堵塞在铁心柱26和绕线架40之间的间隙中的，是例如环氧树脂/玻璃纤维合成材料的电绝缘的封装件36。呈圆形环绕线架40外周边的，是被安置于绕线架40周围的导线27的一部分;它复盖在导线27的另一部分上，以便导线27轴向螺旋形地沿着绕线架40的纵轴延伸，从而构成初级绕组25。绕线架40可用作为卷绕导线27的型芯。诸如玻璃布之类的支承件51（不必按比例图示）绕在绕组25上，形成许多重叠层。玻璃布51应绕紧，但不可绕得大紧，否则会过度拉伸绕在初级绕组25外周的玻璃布51。呈圆形环绕初级绕组25，且与其有一定径向间隔的，是导线37的一部分;它复盖在导线37的另一部分上，以便导线37轴向螺旋形地沿着初级绕组25的纵轴延伸，从而构成次级绕组35。当然，把绕组25和35叫做“初级”和“次级”是为方便起见;而实际的初级和次级绕组是由采用变压器线路中的该变压器接法来确定的。呈弓形间距、轴向伸展的若干支承件，比如棒30，被置于初级绕组25和次级绕组35之间的间隙中。安插棒30，使其纵轴线基本上平行于铁心柱26的纵轴线。棒30最好包含非导电的，或电气绝缘的材料，比如用纤维加强的树脂合成材料，其中，该纤维可以包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或棉纱纤维，而该树脂可包括环氧树脂，酚醛树脂或聚酯树脂。初级绕组25和次级绕组35之间的间隙被例如环氧树脂/玻璃纤维合成材料的绝缘的封装件38所填满。棒30和封装件38协同为绕组25和35提供轴向支承，关于这点下面将予以详细说明。棒30还形成类似型芯的结构，在制造绕组35期间，其上可以盘绕导线37。

另一个支承件42（没必要按比例表示），例如绕在绕组35径向外围上（但不要绕得太紧，否则会拉伸过度）形成多层重叠的玻璃布被牢固地 安置在次级绕组35的外缘，以制止次级绕组35中发生故障，如次级绕组电路的短路而引起的该绕组径向外拱。可构成支承件42和51的这种玻璃布或其他材料应具有高的抗张强度，而且是非金属、不导电、并分别与封装件38和34可相适应的材料。为易于安装和拆除起见，模壳46可以分段制造。模壳46呈圆形环绕在次级线圈35和支承件42的外围，且彼此留有一定的径向间隔。模壳46最好是透明的，这样可以，在插入封装件36、38和44期间，观察该线圈组内的诸间隙被均匀填满的情况。电绝缘的封装件44，如环氧树脂/玻璃纤维合成材料，被置于支承件42和模子46之间的间隙之中。在封装件36、38和44凝固和硬化后，用与封装件44相容材料所制成的模子46，倘想拆除的话，是可以拆去的。

参照图3A，该图所表示的是沿图2的3-3线的截面剖视图。

导线27和37各自被表示为一条空心的导线。导线27和37，分别如图3C和3B所示最好包含多条（一般为奇数）交叉的导线62，其中每一条导线具有为容纳冷却液的孔64，和包在其外周上的绝缘体66。如图3C和3B所示，导线27包括十一条捆在一起的单独换位导线而导线37包括十三条捆在一起的单独换位导线。如果想要的话，可以在导线27和/或37外面再包绝缘材料。

该变压器制造期间且在铁心柱26、绕线架40、初级绕组25、支承件30、次级绕组35、支承件42以及模子46安装完毕以后，把处于液体或流动状态的封装件36填入铁心柱26和绕线架40之间的间隙，并把处于液体或流动状态的封装件38填入初级绕组25和次级绕组35之间的间隙。封装件36和38可以包括同一材料，并分别与其接触的该变压器的其他部件和线圈支承件相容。该封装件36和38填满绕组25和35之间，铁心柱26和绕线架40之间的间隙，并填满绕组25和35的匝间的间隙。在填满这些间隙并填至绕组25和35的顶部后，封装件36和38被凝固，以使其硬化成固体状态。通过诸如使电流通过绕组25和26，或将该线圈组件安置在一炉子 中这样一些加热的方法，可以加速封装件的凝固。凝固后，被硬化的封装件36和38便形成一个包括铁心柱26、初级绕组25、次级绕组35、绕线架40和支承件30的整体装置。该整体装置制止且顶得住该变压器运行期间，作用于该变压器铁心20的铁心片上的振动力。

此外，该变压器制造期间，在模子46和支承件42之间的间隙，同样可用封装件44（液体或可流动状态）填满;该封装件44可以包括环氧树脂/玻璃纤维合成材料，并且可以是与封装件36和/或38相同的材料。然后使封装件44凝固和硬化。可以使封装件44与封装件36和38同时凝固和硬化。封装件44是与它所接触的该变压器的元部件和支承件相容的。再者，封装件44灌注并浸透支承件42，以增加对作用于绕组35上径外向力的阻力。确定封装件44厚度的依据包括绕组35本身阻止其径外向运动的能力，和线圈16经受预定的单位过载能力（即在额定电压下运行的该变压器的额定电流乘以一个系数），例如预定的过载能力为额定电流的十倍，突然短路不会发生绕组35的径向运动，或对封装件36、38和/或44的任何反作用。

为获得本发明另一个希望有的特征，拆卸件包括绕线架40的内表面41，其中表面41涂以例如聚四氟乙烯之类对封装件36没有亲合力的材料，该材料可以买到，其注册商标为《Teflon》或《Poly    Vinyi    Flouride》;《Tedlar》。如果有必要拆卸初级和次级绕组25和35或线圈16的支承装置的其他部件，则该涂层可使初级和次级绕组25和35，支承件30和42，封装件38和44和绕线架40从封装件36和铁心柱26中取出成为可能，而不会破坏线圈16的结构。该拆卸件还可以包括一片插在封装件36和绕线架40之间的薄的材料板（图中未示），该材料板对封装件36没有亲合力。

紧固环33叠在初级绕组25的导线27的最上面一匝和次级绕组35的导线37的最上面一匝之上，并轴向分别把初级绕组25和次级绕组35的导线 27和37压在一起，例如将如螺母之类的紧固件31夹紧在支承件30的带螺纹的延长部分上，紧固环33便轴向分别压紧导线27和37。此外，为了使支承件30有合适的表面以粘附和紧贴封装件38，支承件30的外周是拉毛的，例如支承件30有外螺纹，或沿着其轴长有轴向间距的环形沟槽。由于封装件38在其凝固前，是可以分别在绕组25和35的导线27和37的匝间流动的，所以封装件38和支承件30粘合在一起可阻止在封装件38凝固后，绕组25相对于绕组35的轴向运动。

在该变压器装配时，可将铁心柱26的铁心片安置在绕线架40之内，使得绕线架40可避免有缝隙。用绕线架40作为芯子，导线27绕在其上，以构成绕组25，且棒30被组装。支承件51安置于绕组25的周围。利用棒30作为导架或芯子，导线37绕在其上，以构成绕组35。支承件42安置于绕组35的周围;而模子46安置于支承件42的周围，彼此留有一定的径向间隔。

绕线架40和铁心柱26之间，绕组25和35之间，以及支承件42和模子46之间的诸间隙中，填入散装的固体碎玻璃纤维，为增强该可凝固的树脂的强度，最好用长度约为八分之一英寸、直径约为0.010英寸的碎玻璃纤维分别填入这些间隙，以分别构成封装件36、38和44。这样在就地形成的封装件36、38和44，包括被树脂浸润的玻璃纤维。这种被树脂浸润的玻璃纤维最好形成均匀的混合物，其中玻璃纤维均匀散布在该树脂之中。该树脂还灌注支承件42和51，并粘附于支承件30。该玻璃纤维通常在该被凝固的树脂中取向没有规则。希望该树脂具备的特性包括：与玻璃纤维和与该支承装置的诸部件的相容性;凝固时体积收缩小;以及冻胶即凝固时间适中，以便在其硬化之前，可使该线圈的支承装置和玻璃纤维被其彻底浸透。另一方面，可以在该树脂注入该线圈组件之前，将玻璃纤维与该树脂混合，不过，对某些应用而言，其结果使所得到的混合物太稠密，而不能适当流动和/或其结果造成，凝固期间玻璃纤维 离析。

根据本发明，对变压器的绕组和其他部分进行封装，并由此造就了这个整体装置，又因为任何合用的封装件36、38和44，预期的热传导能力比较低，所以可以预料，在大多数变压器应用过程中，至少在铁心20的铁心柱22、24和26处需要进行内部冷却。不过，本发明也可用于无论何时都不必要对其铁心的至少一部分进行内部冷却的变压器。

至此，已说明和描述了一种具有新型线圈支承装置的变压器，该线圈支承装置对构成该变压器绕组的这些导线，提供径向和轴向支承，而且，这种支承足以约束和阻止由故障所造成的力。此外，已表示和描述了该变压器的支承装置能够承受热力，且能约束和阻止该变压器铁心的铁心片的振动力。

虽然通过图解说明，已经指出了本发明的某些最佳的特点，但是本领域的技术人员将会想到很多修正和变更。理所当然，所附的权利要求意图是包罗符合本发明的精神实质和属于本发明范围之内的所有这些修改和变更。

Claims (2)

1、具有一铁心和线圈组件的变压器，该铁心至少包括一个铁心柱，其特征在于该线圈组件包括：

第一绕组，该绕组呈圆形地至少环绕铁心柱的一部分并彼此留有一定间隔，所述第一绕组环绕一个绕线架成形；

第二绕组，该绕组彼此相隔一定距离呈圆形地至少环绕所述第一绕组的一部分；

置于第一和第二绕组之间的第一支承装置，所述第一支承装置包括一个留有一定间隔的环状棒组，并至少靠紧固环将第一和第二绕组固定在该间隔棒上，从而制约第一和第二绕组间的相对轴向运动；

第二支承装置，该装置围绕至少一部分第二绕组的外缘配置，所述第二支承装置包括一个玻璃布绕组，以限制沿径向外侧方向的运动；

第一封装装置，该封装装置置于所述铁心柱和绕线架内表面之间，所述第一封装装置包含浸透树脂的玻璃纤维；

第二封装装置，该装置置于第一和第二绕组之间，所述第二封装装置至少封闭所述留有一定间隔的支承棒的一部分，而且所述第二封装装置包括浸透了树脂的玻璃纤维；和

第三封装装置，该装置配置于所述第二支承装置的圆周外缘，所述第三封装装置包括浸透了树脂的玻璃纤维，以形成一个包括第一和第二绕组，第一和第二支承装置和第一，第二和第三封装装置的整体结构。

2、如权利要求1所述的变压器，特征在于其中所述绕线架的内表面涂敷有一种聚四氯乙烯材料，以使第一和第二绕组，第一和第二支承装置和第二和第三封装装置的移动不会损害第一封装装置和铁心柱。

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