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

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雷雪
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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。
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