CN102054563B - 一种无缝卷铁心变压器 - Google Patents

Abstract

一种无缝卷铁心变压器由线圈、无缝卷铁心、支架和底座构成，其特征在于：变压器的铁心是由多个无缝卷铁心组成的，每个无缝卷铁心是由宽度相等的硅钢带或非晶合金带卷绕在绝缘底筒上制成，绝缘底筒是可分拆的，事先套在预制成型的线圈上；线圈和卷铁心由支架固定并安装在底座上；无缝卷铁心变压器包括单相变压器和三相电力变压器。

Description

一种无缝卷铁心变压器

技术领域：

本发明涉及电工和电器技术领域的变压器，特别是涉及壳式卷铁心变压器，包括三相变压器和单相变压器。 

背景技术：

目前，变压器铁芯分为叠片式和卷铁心两大类，卷铁心变压器具有铁心填充率高、空载电流小、节能节材等许多优点。但大部分卷铁心都需要切割成两半，以便套在预制成型的线圈上，这样一方面使磁路中留有接缝，增大磁阻和损耗，另一方面，大型铁心难以切割，限制了卷铁心在大型变压器上的应用；环形铁心虽然无接缝，但只能用于单相变压器，而且线圈的绕制工艺复杂；R形变压器和三角形立体卷铁心变压器是采用变宽度硅钢带卷制的铁心，成本较高，也难以制造大型变压器。 

本发明的目的是为了克服现有卷铁心存在接缝和难以用于大型变压器的缺陷，实现新型的三相和单相无缝卷铁心变压器，创建变压器结构的新模式，达到节能、节材并提高变压器综合性能的目的。 

发明内容：

一种无缝卷铁心变压器由线圈、多个无缝卷铁心、变压器支架和底座构成，每个无缝卷铁心由宽度相等的硅钢带或非晶合金带卷绕在绝缘底筒上制成；绝缘底筒可分拆成两半，事先套在预制成型的线圈上，并相互锁紧。绝缘底筒是用高强度的绝缘材料(例如用玻璃纤维加强的环氧树脂)制成。底筒与线圈之间留有一定间隙，可使用专用设备转动底筒，将等宽的硅钢带或非晶合金带卷绕在绝缘底筒上。(要求线圈截面为圆形，底筒截面为环形)。这一卷绕过程类似于R形变压器和三角形立体卷铁心变压器卷绕线圈的工艺，只是用于绕制线圈的铜线换成了绕制卷铁心的硅钢带，由于硅钢带很薄(0.3mm以下)，宽度也较窄，因此卷绕时不需要太大的张力，降低了对专用卷绕设备的要求。无缝卷铁心是一个一个单独卷绕成型的，由于可将巨型的卷铁心分解成多个单独的无缝卷铁心绕制，大大降低了制造大型卷铁心的难度，使其适用于各种大型变压器。 

此外，还可采用类似环形绕线机的专用环形绕带机，将硅钢带卷绕在绝缘底筒上(绝缘底筒要先固定好)。这种卷绕方式不仅适用于圆形横截面的线圈，也适用于各种非圆截面的线圈(例如椭圆形或矩形截面的线圈)。 

单相无缝卷铁心变压器的线圈(平面)为矩形，线圈角部为弧形过渡，多个无缝卷铁心分为对称的两组，分别套在矩形线圈的左右两边。每组卷铁心的数量为2至15个，根据变压器的大小确定。 

三相无缝卷铁心变压器的线圈也为矩形，线圈角部为弧形过渡，A相线圈的左边与B相线圈的右边并拢在一起，B相线圈的左边与C相线圈的右边并拢在一起，C相线圈的左边与A相线圈的右边并拢在一起，两两之间用绝缘垫隔离并包扎紧，形成三角形立体分布；多个无缝卷铁心分为三组，分别套在AB、BC、CA三个并拢的绕组上。 

无论是单相变压器还是三相变压器，无缝卷铁心都是水平叠放的，卷铁心之间垫有柔性绝缘垫；各卷铁心的轴线同心，并垂直于水平面，线圈穿过各组卷铁心的中心，因此线圈都是直立的。各组铁心的上下两端装有坚固的绝缘夹板，通过螺杆将上下夹板拉紧，夹紧各组卷铁心；上下夹板 同时起到承托和固定线圈的作用，上下夹板和螺杆都是变压器支架的一部分，变压器铁芯和线圈通过下夹板固定在底座上。 

对于中小型干式变压器，线圈可采用树脂灌注作为主绝缘，并提高线圈的强度。 

对于油浸的电力变压器，线圈内部以及线圈与铁心之间应设置散热通道，以利变压器油循环散热，为此，可在线圈绕制过程中植入绝缘支架或管道，并与线圈捆扎为一体；在线圈与卷铁心之间预留了间隙，为了使两者之间相互固定，可在线圈和铁心之间植入多条扁平的软管，(软管平行于线圈的走向，并相互保持一定间隔。)软管的一端封闭，从另一端加压注入环氧树脂，树脂固化后将线圈和铁心之间固定并保持两者之间的散热通道；硬化后的软管成为支架的一部份。 

还可以采用交联聚乙烯电缆绕制变压器线圈，进一步改善线圈的绝缘条件，制成安全性高的无缝卷铁心电缆变压器。 

无缝卷铁心卷绕好以后一般不进行退火处理，虽然简化了工艺过程，但对铁损有一定影响。未经退火的卷铁心，硅钢带保持了绕制过程中产生的拉应力，如果采用HI-B取向硅钢带，拉应力可使其磁畴宽度减小，涡流损耗降低。(参见“变压器铁心制造工艺”机械工业出版社，2000年10月第一版，第161页。) 

附图说明：

图1.单相无缝卷铁心变压器结构示意图 

图2.绝缘底筒示意图 

图3.单相无缝卷铁心变压器采用变截面线圈的结构 

图4.三相无缝卷铁心变压器结构示意图 

图5.三相无缝卷铁心变压器上、下夹板平面图 

图6.大型非晶合金无缝卷铁心变压器结构示意图 

附图标注：(1)单相变压器的预制线圈 (2)绝缘底筒 (3)无缝卷铁心(4)柔性绝缘垫 (5)上夹板 (6)下夹板 (7)螺杆 (8)螺母(9)底座 (10)螺丝孔 (11)单相变压器的变截面线圈(12)三相变压器的A相线圈 (13)三相变压器的B相线圈(14)三相变压器的C相线圈 (15)支柱 (16)托板(17)非晶合金卷铁心 

具体实施方式：

以下结合附图，具体描述各项实施例。 

实施例1.单相无缝卷铁心变压器 

图1所示为单相无缝卷铁心变压器，图1.d为单相变压器的矩形线圈(1)，矩形线圈(1)四角为弧形过渡，线圈(1)的所有横截面都为圆形，参见图1.b和图1.c。图2所示为圆环形的绝缘底筒(2)，底筒沿纵向分为两半，可套在闭合的线圈(1)上，(参见图1.b)，底筒的端面上留有多个螺纹孔(10)，用于将底筒固定在卷绕机的驱动环上。(驱动环也分为两半，可套在线圈上。每绕完一个卷铁心，将驱动环上卸下，再将下一个底筒固定在驱动环上，绕制下一个卷铁心…由于卷绕机构不属于本发明范围，图中未画出。) 

底筒(2)在卷绕机的驱动下将硅钢带或非晶合金带卷绕在绝缘底筒上，制成多个无缝卷铁心(3)，组合成单相变压器的无缝卷铁心。(由于卷绕机 的驱动环要占用一定的绕制空间，最后一两个卷铁心的绕制空间不够，可采用切割成两半的卷铁心套在线圈上拼合而成，并用钢带箍紧。) 

如图1.a所示，16个无缝卷铁心(3)分成两组，每组8个，分别套在线圈(1)的左右两边，卷铁心之间垫有柔性绝缘垫(4)，以防止铁心边缘压伤并避免产生涡流，各卷铁心通过导线接地。柔性绝缘垫的厚度在硅钢带宽度的1％以下。各组卷铁心都是水平叠放的，其轴线垂直于水平面，线圈穿过各组卷铁心的中心；各组铁心的上下两端装有坚固的绝缘夹板：上夹板(5)和下夹板(6)，通过螺栓(7)和螺母(8)将上下夹板拉紧，夹紧各组卷铁心；上下夹板同时起到承托和固定线圈(1)的作用，上下夹板和螺栓都属于变压器支架，变压器铁芯和线圈通过下夹板(6)固定在底座(9)上。 

单相无缝卷铁心变压器与R型变压器在结构上具有对偶性：R型变压器是用线圈卷绕在圆形截面的闭合铁心上，单相无缝卷铁心变压器是用硅钢带卷绕在圆形截面的闭合线圈上。无缝卷铁心变压器的磁路短，铁心截面积大，虽然线圈的平均匝长较长，但圈数较少，线圈的总长和铜阻并不大。 

实施例2.采用变截面线圈的单相无缝卷铁心变压器 

图3所示为变截面线圈的单相无缝卷铁心变压器，线圈(11)的截面是变化的：被卷铁心包围的部分为圆形截面，露出卷铁心的线圈逐渐展开为扁平状，铜线按最短路径分布，由图3.c可见线圈(11)扁平的截面；由图3.b可见线圈(11)在水平方向展开的形状。 

变截面的线圈可使线圈的总长缩短5％-6％，节约了铜线，减小了铜阻，降低了铜损，比常规线圈更加节材、节能。并使变压器的总高度降低12％。变截面线圈可在专用胎具上绕制成形。 

实施例3.三相无缝卷铁心变压器 

图4所示为三相无缝卷铁心变压器：图4.a为变压器的俯视图，图中(12)为A相线圈，(13)为B相线圈，(14)为C相线圈，线圈在铁心内部为半圆形截面，在铁心外部展开为扁平状，铜线按最短路径分布。三相线圈A与B，B与C，C与A之间，两两并拢(中间垫绝缘板，并拢的部分呈圆柱形)，形成三个圆柱体，并用绝缘带将圆柱体(线圈)包扎紧。然后在圆柱体上套好绝缘底筒(2)，在底筒(2)上卷绕硅钢带，依次卷绕成多个无缝卷铁心(3)，将三个圆柱体(线圈)全部包住，构成三相壳式无缝卷铁心。如图4.b所示：三组卷铁心都是水平叠放的，其轴线垂直于水平面，卷铁心之间垫有柔性绝缘垫。各组铁心的上下两端装有坚固的绝缘夹板：上夹板(5)和下夹板(6)，通过螺栓(7)和螺母(8)将上下夹板拉紧，夹紧各组卷铁心；上下夹板同时起到承托和固定线圈的作用，上下夹板和螺栓都属于变压器支架，变压器铁芯和线圈通过下夹板(6)固定在底座(9)上。 

如图5所示：上、下夹板都分为三块，卷铁心全部绕好后，再安装上、下夹板。 

三相无缝卷铁心变压器的线圈可在专用的胎具上绕制成型。 

三相无缝卷铁心变压器与“三角形立体卷铁心变压器”在结构上具有对偶性：前者是将硅钢带卷绕在三相线圈上，后者是将线圈卷绕在闭合的三相铁心上。前者的硅钢带是等宽度的，便于裁剪，无废料；后者的硅钢带是变宽度的，需专用数控开料机，还有边角废料。 

实施例4.采用非晶合金的无缝卷铁心变压器 

图6所示为采用非晶合金的无缝卷铁心变压器。非晶合金具有导磁率 高、矫顽力低，易于磁化等优点，因此用非晶合金制成的变压器励磁电流小，空载损耗低，节能效果显著。但非晶合金有两个弱点：1.难于制成较宽的带材，因此不适于制造大型变压器。2.非晶合金具有压力敏感性，受压后会使磁特性变坏，即使自重引起的应力也会引起损耗增加。 

无缝卷铁心变压器将大型铁心分为多个无缝卷铁心，使用较窄的非晶合金带材也可以制成大型变压器。完全克服了非晶合金的第一个弱点所带来的限制。 

为了降低非晶合金铁芯所受的压力，如图6所示：在无缝卷铁心变压器水平叠放的铁心之间垫有托板(16)，托板之间以及托板与上、下夹板之间设有支柱(15)，各卷铁心和线圈的重量由托板、支柱和上、下夹板所承担。由此，完全避免了非晶合金的第二个弱点。支柱(15)是中空的，中心穿过螺栓(7)，依靠螺母(8)将上、下夹板压紧，从而锁紧了各层托板和支柱。 

传统的非晶合金卷铁心变压器的制造工艺非常复杂：需要先卷制好闭合的铁心，装架后再逐层打开，装入线圈后再将打开的铁心逐层闭合，然后锁紧。由于非晶合金带材非常薄(厚度在0.06mm以下)这一工艺过程十分繁琐，增加了制造成本。无缝卷铁心是套在线圈上卷绕成型的，不仅免去了铁心拆解和复原的复杂工序，提高了效率，而且比传统的非晶合金卷铁心的磁阻更小，所需的励磁电流更低，更节能，因为传统的非晶合金卷铁心有接缝，而无缝卷铁心在闭合磁路上是无接缝的。 

Claims (7)

1.一种无缝卷铁心变压器，该无缝卷铁心变压器是单相变压器或三相电力变压器，该变压器由线圈、无缝卷铁心、支架和底座构成，其特征在于：该变压器的铁心是由多个无缝卷铁心组成的，每个无缝卷铁心由宽度相等的硅钢带或非晶合金带卷绕在绝缘底筒上制成，绝缘底筒是可分拆的，事先套在预制成型的线圈上；无缝卷铁心都是水平叠放的，卷铁心之间垫有柔性绝缘垫；各组卷铁心的轴线同心，并垂直于水平面，线圈穿过各组卷铁心的中心，因此线圈都是直立的，各组铁心的上下两端装有坚固的绝缘夹板，通过螺杆将上下夹板拉紧，夹紧各组卷铁心；上下夹板同时起到承托和固定线圈的作用，上下夹板和螺杆都是变压器支架的一部分，变压器铁芯和线圈通过下夹板固定在底座上。

2.根据权利要求1所述的无缝卷铁心变压器，其特征在于：单相变压器的线圈是矩形的，其四角为弧形过渡：多个无缝卷铁心分为两组，分别套在矩形线圈的两边。

3.根据权利要求1所述的无缝卷铁心变压器，其特征在于：三相变压器的每个线圈是矩形的，其四角为弧形过渡；A相线圈的左边与B相线圈的右边并拢在一起，B相线圈的左边与C相线圈的右边并拢在一起，C相线圈的左边与A相线圈的右边并拢在一起，两两之间用绝缘垫隔离并包扎紧，形成三角形立体分布；多个无缝卷铁心分为三组，分别套在AB、BC、CA三个并拢的绕组上。

4.根据权利要求1所述的无缝卷铁心变压器，其特征在于：该变压器为大型电力变压器，在该大型电力变压器绕制过程中，在线圈内中植入绝缘支架或绝缘管道，以预留散热通道；线圈和绝缘底筒之间留有间隙，用于散热和绝缘。

5.根据权利要求4所述的无缝卷铁心变压器，其特征在于：在线圈与铁心的间隙中植入多条扁平的软管，软管平行于线圈的走向，软管的一端封闭，从另一端加压注入环氧树脂，树脂固化后将线圈和铁心之间固定并保持两者之间一定的散热通道：硬化后的软管成为支架的一部份。

6.根据权利要求1所述的无缝卷铁心变压器，其特征在于：采用非晶合金带的无缝卷铁心变压器，在各卷铁心之间垫有托板，托板之间以及托板与上、下夹板之间设有支柱，各卷铁心和线圈的重量由托板、支柱和上、下夹板所承担。

7.根据权利要求1所述的无缝卷铁心变压器，其特征在于：上述变压器线圈采用交联聚乙烯电缆绕制，以制成安全性高的无缝卷铁心变压器。

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