CN105070484A - 非矩形截面铁心e型节能节材变压器 - Google Patents

Abstract

非矩形截面铁心的E型变压器，是对传统大量应用的小型变压器的节能节材改进。将E型变压器的矩形线圈改变为八角形、圆形等非矩形形状，可在降低用铜量的同时，有效降低变压器的电阻，达到减小负载损耗的目的。此外，本发明中的部分叠片磁路缩短，磁损减少，又可以在降低用铁量的同时，降低变压器的空载损耗。本发明的变压器制作容易，虽然改变了原来单一尺寸的硅钢冲片，模具成本和生产成本略有增加，但节能节材所带来的经济利益，远大于成本的增加，值得推广。

Description

非矩形截面铁心E型节能节材变压器

发明领域

本发明属于电学中的变压器技术领域，主要涉及小型变压器的磁路结构改进，具体地说，是创建一种新结构的单相变压器。

背景技术

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，通过电能和磁能的相互转化以实现电压变换。

在现有的小型单相变压器中，E型变压器以其结构简单、制造容易为特点，是用得最多、最普通的变压器品种。

E型变压器只有一种片型，为一片E形片和一片I形片叠制成一层，将另一层按相反方向叠装，使空气隙相互交错达到一定厚度所构成的磁路，所以冲片模具很简单，而斜E形的模具更简单到只需一件冲模。正因为模具简单所以E型变压器得到广泛应用，但由于其绕组只能采用矩形结构，所以电阻大损耗多，电源效率低，是一种低效不节能产品。

变压器的损耗有铁损和铜损两种，铁损由铁心的磁损耗所引起，通常称为空载损耗，而铜损是由铜绕组的电阻所产生，称为负载损耗，在现有材料成本条件下，变压器通常设计成负载损耗大于空载损耗的规则。

E形变压器的铁心截面为矩形，所以绕组也是矩形。在相同的铁心截面积中，长方形截面的铜线长度大于正方形，而正方形截面的铜线长度又大于圆形，所以现有传统E形变压器，负载损耗较大，效率较低，而且铜线长度大，使E形变压器材料成本提高，很不经济。

发明内容

本发明的目的，是通过变压器磁路结构的改革，减少E型变压器的损耗，提高变压器能效；减少用材量，降低制造成本。

本发明是这样实现的，一种主要由叠片铁心、线圈架、绕组三大部件组成的E型单相变压器，其特征是，变压器铁心为非矩形截面；叠片由不限于一种尺寸的硅钢片叠制而成。

本发明的技术效果是明显的，首先，许多种非矩形截面，特别是圆形结构绕组的线匝长度/铁心截面积比比矩形绕组小，绕组电阻低，可以有效降低变压器的负载损耗，提高能效；其次，圆形等结构绕组比较容易绕制，其用铜量也较低，有利于降低变压器的材料成本。

附图说明

图1、现有传统E型铁心单相变压器叠片形状图。

图2、现有传统E型铁心单相变压器绕组外形图。

图3、本发明改进的小八角E型变压器铁心截面图。

图4、大八角E型变压器铁心截面图。

图5、本发明的3阶圆截面铁心和线圈横剖图。

图6、3阶圆截面变压器外形图。

图7、3阶圆截面铁心纵剖图。

图8、本发明变压器的4阶非矩形截面铁心。

图9、本发明变压器的一种5阶非矩形截面铁心。

具体实施方式

现有传统E型铁芯变压器，也称EI型变压器，是一种用途广泛的、也是最常见的小型变压器。

图1为现有传统E型铁心单相变压器叠片形状图。E型变压器铁芯，是在矩形线包制成后，由一片E形片和一片I形片叠制成一层日字形，将另一层按相反方向叠装，使空气隙相互交错达到一定厚度所构成的磁路，通过交错换位，铁芯缝隙相互错开，以降低磁路间隙磁阻，所以冲片模具很简单，一款变压器只需两种冲件，而斜E形的模具更简单到只有单一冲件。

图2为现有传统E型铁心单相变压器绕组外形图。绕组其实就是一个矩形线包，通常由漆包铜线绕制。E型铁心单相变压器的绕组是一个简单的六面体，中间开有一个矩形孔，用来插入E型叠片，叠片依相互交错方式插入，例如将1至2片叠片从绕组线圈架的上部插入，则依次将1至2片叠片从绕组线圈架的下部插入，相互交错插入，直到将中间的矩形孔插满为止。

从几何学原理出发，在一个封闭的几何图形中，不同形状的几何图形的边长与所围面积之比差异极大，例如长方形的边长/面积比大于正方形，长方形的长宽比越大，其边长/面积比也越大；而正方形的边长/面积比又大于圆形。

对于任一款E型变压器的铁心和绕组而言，几何图形的面积对应于铁心截面积，而绕组导线长度对应于几何图形的周长。所以，一定截面积铁心，对应于不同截面形状的绕组的长度是不等的，这就是在E型变压器设计中，建议多采用正方形截面铁心的原因。在相同的铁心面积下，正方形铁心的导线最短，电阻最小，所以其负载损耗Pr也最小。

Pr＝I²R(式1)

由式1可以看出，负载损耗与绕组电阻成正比，而与流过绕组的电流平方成正比。

同时，导线最短，意味着变压器线圈的用铜量也最小，所以在变压器设计中，尽量采用正方形截面的铁心，或者尽量采用长宽比接近1的长方形截面铁心，成为设计中的基本原则，这样一种变压器具有最佳的节能节材效果。

下面需要探讨的是，本发明是如何对E型变压器铁心、线圈结构作节能节材改进的。基本的结构改进特征是，变压器铁心由矩形截面改进为非矩形截面；叠片由一种尺寸的硅钢片改进为一种以上尺寸的硅钢叠片。

以非矩形截面铁心代替矩形截面铁心，首先是可以减少铜线长度，较短的铜线长度意味着较小的绕组电阻。从而，既可降低变压器的负载损耗，又可降低变压器的用铜量。

改进的第一种E型变压器铁心为对现有E型变压器作最小动作的改良，称为小八角线圈架E型铁心变压器。

图3为本发明改进的小八角E型变压器铁心截面图。

图3a)为传统E型变压器的铁心芯柱截面，线圈架(21)套在铁心(10)上，铁心中只有一种尺寸的叠片。

图3b)为本发明中最简单的改进，采用小八角线圈架代替矩形线圈架，对于铁心来说，就是采用少量二阶叠片置换部分一阶叠片，也就是说采用两种尺寸的叠片，本方案以一阶大叠片为主，加入少量二阶叠片，目的是把矩形线圈架的四个角去掉，以此缩短导线长度，减小绕组电阻值，从而降低变压器的负载损耗。

以具体设计的样机为例，原有E型变压器采用50mm舌宽的冲片，叠厚69mm，铁心计算截面积为3450mm²。

本发明改为54mm和40mm舌宽的2阶冲片的小八角，叠厚也是69mm，铁心计算截面积为3516mm²。除舌宽外的冲片其它参数不变。

铁心截面积增加到1.019倍，但绕组导线长度降低到0.962倍。

也就是说，即使不改变原有E型变压器的线圈匝数，也使改进产品的磁密降低，空载损耗减小；同时，绕组电阻减小，负载损耗降低。改进后的产品能耗指标双双降低，既节能又节材。

上述改进所产生节能的主要原因是，将原有矩形线圈架的四个直角削掉，改成为小八角形的钝角，将原来必须直角转弯的绕线改变为135°钝角转弯，非但绕线方便，同时也缩短了导线长度。在实际的线圈架中，靠铁心一侧的线圈架框可以制成角型，而靠绕线一侧的线圈架框尽量避免角型，而应以弧形过渡。

如果改进后的铁心，即使仍采用原来的一阶叠片，还是以一阶叠片为主，配以少量二阶叠片，那铁心有效截面损失也很少，所以只要稍微加厚一点线圈架的纵向宽度，也就是说比原来多叠一片或数片叠片，就能把截面损失补回来。但去掉四个直角，导线长度减小，既节省了铜材，又3负载损耗降低。

综上所述，小八角形截面铁心变压器的特征是，变压器的铁心由2阶叠片组成；线圈架为接近矩形的小八角形。

图4为本发明的大八角E型变压器铁心截面图。

小八角E型变压器铁心的改进必定是有限的，如果将小八角形进一步向圆形方向发展，就将成为大八角形的铁心和线圈架。同时，为提高截面铁心占有率，2阶叠片也升级成为3阶叠片，即铁心由一阶叠片、二阶叠片和三阶叠片的3种冲片叠成。

从图4中可以看出，大八角E型变压器铁心仍以一阶叠片为主，但二阶叠片比小八角方案有明显增加，三阶叠片可以比二阶叠片少也可以与二阶叠片一样多，关键是根据线框的形状，作优化设计，使铁心在线框中的有效面积最大，同时，线圈架的转角处更缓和，尽量消除角型。

众所周知，根据几何学原理，在相同截面积下，如果以圆形线圈架绕制的每圈导线长度为1的话，则正方形线圈中每卷导线长度为1.274。如果采用长方形线圈，则每卷导线长度更会大于1.274倍。因此，圆形截面铁心变压器的绕组用铜量最少，负载损耗也最小。

图5为本发明的3阶圆截面铁心和线圈横剖图。

按几何学原理，圆截面的周长是最短的。所以采用圆截面铁心的绕组导线最短。在图5中，铁心(10)中，共有3种尺寸的叠片，分别为一阶叠片(11)、二阶叠片(12)和三阶叠片(13)，各阶叠片的尺寸不同，随着阶数的增加，尺寸依次变小。绕组(20)绕在圆形线圈架(21)中，而在圆形线圈架中绕线，易于矩形线圈架，可绕得更整齐。

与八角形线圈架相比，3阶圆截面铁心变压器的导线更短、电阻更小，负载损耗最低，其特征是，铁心为圆截面；铁心由3阶叠片组成；线圈架为圆筒形。

图6为3阶圆截面铁心变压器轴测外形图。

从图中可以发现，3阶叠片的芯部宽度固然不同，其外形尺寸也依次递减，从中间的最大尺度向两边间减小，在传统E型变压器中，铁心叠片尺寸相同，在励磁作用下，铁心芯部每个叠片流过的磁力线是相等的。

按照E型变压器的规律，从叠片铁心流出的磁力线将在两边的铁轭分别流动，完成回路，所以铁轭的宽度为铁心宽度的一半。

而在本发明的不同阶叠片中，由于铁心芯部叠片宽度不同，在同一励磁磁势驱动下，每个阶层叠片希望按其宽度的不同合理分配磁力线，也就是说，宽度最大的一阶叠片流过最多的磁力线，按宽度比例依次递减，到宽度最小的三阶叠片流过最少的磁力线。

本发明也是按照E型变压器的共同规律来设计各阶叠片的。那么，从图中可以发现，各阶叠片磁路的长度也是不一样的，三阶片的磁路最短，一阶片的磁路与传统E型变压器相同。磁路短，则磁阻、磁损都成比例减小，所以本发明的非矩形截面铁心变压器，不但能减少硅钢片的重量，磁损也比传统E型有所降低。

另外，由于线圈架由直线改为弧形，外层叠片尺寸缩小，外层的叠片更靠近线圈，也盖住了部分线圈，这样一种新结构，可以减少变压器的漏磁，降低电磁辐射量。

图7为3阶圆截面铁心纵剖图。从图中可以看到3阶叠片在芯部围成一个近圆形的铁心，在上下轭部为近半圆形，而在左右轭部为圆弧形。为观察方便，图中已取消线圈和线圈架。中间的芯部(10)和3阶叠片的芯部、轭部位置、尺寸都显现在图中。

随着铁心截面叠片阶数的提高，铁心有效截面也随之提高，但超过5阶后，有效截面增量越来越小，而成本却逐渐提高。

图8为本发明变压器的4阶非矩形截面铁心图。其中：

图8a)为4阶圆截面铁心，增加四阶叠片，总共4种规格的叠片，可增加有效截面积，减少绕组匝数，进一步降低损耗。

图8b)为4阶椭圆截面铁心，圆截面铁心会降低线圈窗口面积，改用椭圆形可改善变压器对窗口的利用率，降低变压器体积和重量。

图8c)为4阶大八角形截面铁心，增加四阶叠片后，与3阶大八角形截面铁心相比，节能节材效果更好。

图9为本发明变压器的5阶矩形加半圆截面铁心的截面图。是对椭圆截面铁心的改进，能更好利用窗口面积。相类似的还有矩形加椭圆形截面的铁心。

归纳以上内容，可以看到，非矩形截面铁心包括了小八角形、大八角形、圆形、椭圆形、矩形加半圆形、矩形加椭圆形等截面形状的铁心。

对于E型小型变压器而言，变压器的固定装置也是必不可少的，传统E型变压器的固定装置大概有以下几种：

1、线圈架上的引线插脚；

2、骑马夹；

3、封装外壳；

4、穿孔螺栓加支架。

传统E型变压器的固定装置大多可用于本发明的变压器中。例如，同样可以采用引线插脚将变压器固定在线路板上。如图6所示，就是采用了这一固定装置。

稍大体积的变压器，则可以采用骑马夹，夹住中间的一阶叠片，通过骑马夹两边的孔固定变压器。本发明变压器的骑马夹比传统E型变压器小，有利于减轻变压器重量。

封装外壳的方法，就是把变压器整个封装在一个壳体内，利用壳体本身的固定装置进行安装。

对于较大功率的E型变压器，传统产品可采用叠片打孔方式穿过拴紧螺杆，但对本发明的变压器来说，因为不是单一规格的叠片，开孔位置很难定，实施有一定困难。但是，如果不考虑硅钢片的材料成本，可采取轭部与一阶同样宽的二阶、三阶叠片，同样也可采用穿孔螺栓加支架的固定装置解决固定问题，惟这样做不能像上述非等宽叠片那样节约硅钢材料。

随着叠片阶数的增加，例如四阶或五阶叠片，铁心的有效截面积也将有所增大，但是变压器的成本也将随之提高。所以，从经济性上考虑，在通常大多数应用中，2阶或3阶铁心变压器已有足够好的节能、节材技术效果，而4阶或4阶铁心变压器有更好的效果。但超过5阶后，有效截面增量越来越小，而成本却逐渐提高，所以经济性上并不划算。

需要补充说明的是，虽然从几何学原理分析，以圆形线圈架绕制的每卷导线长度为1的话，则正方形线圈中每卷导线长度为1.274。但是，由于作成一个标准的圆形截面铁心，需要远不只2种或5种叠片，可能需要几十种大大小小的叠片，才能叠成一个真正的圆形，没有现实实施可能性好必要性。所以本发明中所述圆形、八角形这是一种接近某种几何图形的说法，实际上截面中还存在着一些空缺。按本发明的各种非矩形截面铁心设计的变压器，所能节约的铜线或者说所能减少的负载损耗，大约在10％至20％之间，同时，空载损耗和用铁量的降低约在10％左右。

Claims (10)

1.一种主要由铁心叠片、线圈架、绕组三大部件组成的E型单相变压器，其特征是，变压器铁心为非矩形截面；叠片由不限于一种尺寸的硅钢片叠制而成。

2.根据权利要求1所述的E型单相变压器，其特征是，变压器的铁心由2阶叠片组成；线圈架为接近矩形的小八角形。

3.根据权利要求1所述的E型单相变压器，其特征是，变压器的铁心由3阶叠片组成；线圈架为八角形。

4.根据权利要求1所述的E型单相变压器，其特征是，铁心为圆截面；铁心由3阶叠片组成；线圈架为圆筒形。

5.根据权利要求1、权利要求3或权利要求4所述的E型单相变压器，其特征是，铁心由大于3阶阶数的叠片组成。

6.根据权利要求3或权利要求4所述的E型单相变压器，其特征是，各阶叠片的高度和宽度不同。

7.根据权利要求1所述的E型单相变压器，其特征是，线圈架上的引线脚作为变压器的固定器。

8.据权利要求1或权利要求7所述的E型单相变压器，其特征是，采用骑马夹、封装外壳或穿孔螺栓加支架作为变压器的固定器。

9.根据权利要求1所述的E型单相变压器，其特征是，铁心截面为小八角形、大八角形、圆形、椭圆形、矩形加半圆形、矩形加椭圆形的截面形状。

10.根据权利要求1或权利要求9所述的E型单相变压器，其特征是，铁心为3阶或大于3阶的叠片，例如4阶、5阶叠片构成的截面。