CN105895321A - 非叠片型铁心零间隙磁路单相节能变压器 - Google Patents

Abstract

非叠片型铁心零间隙磁路单三相节能变压器，是中大型变压器制造领域中一项结构和工艺改进的多重技术，其中有以零间隙磁路以获得最低铁损和最低工时制造成本，而以卷铁心代替叠片铁心的技术，可以使圆形截面铁心和矩形截面铁轭获得最佳的工艺配合，降低铁心叠装成本，降低磁损，适合功率从几瓩到几十万瓩级的心式或壳式单相变压器制造，是变压器结构和工艺技术的重大创新。

Description

非叠片型铁心零间隙磁路单相节能变压器

发明领域

本发明属于电学中的变压器技术领域，涉及变压器的磁路结构和制造方法，具体地说，是创建一种新结构新工艺的节能变压器。

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，以实现电能和磁能的相互转化。为减少磁能损耗，铁心通常由一片片薄硅钢片叠制而成，而要将绕组放进磁路，磁路就必须分段制作留出开口，然后嵌入绕组，再作封口处理，磁路上必然留下许多空气接缝间隙——称为磁路间隙，磁路间隙虽然很小，但因空气的导磁率远低于铁磁物质，所以空气隙磁路的磁阻仍然很大，必须以一定的励磁电流，用以增加磁动势以克服磁阻，也就是说，必须增加励磁电流。加大励磁电流即意味着增加变压器的空载损耗；另外，在传统三相变压器中，铁心截面是圆形，用不同宽度的叠片叠成圆形，工艺特别复杂，叠制要求非常严格，不如铁轭的矩形叠片截面叠制方便，使制造变压器的工时效率非常低。

总之，现有变压器存在空载损耗大，工艺结构复杂，制造成本高，需要作重大结构改进。

发明内容

本发明的目的，是通过结构改进，简化变压器叠装工艺，降低制造成本；减小损耗，提高效率、实现变压器结构和工艺的节能改造。本发明涉及变压器的磁路结构的重大改进，叠片工艺的创新性简化。

本发明首先采用了与现有传统变压器有所不同的结构和工艺路线，那就是零间隙磁路的变压器新结构和新工艺技术，有关零间隙磁路结构技术和工艺，详见中国发明专利申请201310160702.1《零间隙磁路自封闭型变压器》，本发明是以该发明为基础，对单相变压器结构和工艺所作的进一步技术改进。

传统变压器靠精细的叠装工艺保证适合绕组的外形和最小的磁路间隙，虽然化很大的工时成本，仍旧无法将空载电流降到更低的水平。小型E型变压器从有间隙磁路向C型变压器的进化，其实质上是将裁片和叠装过程中无法控制的磁路间隙向精密加工的零间隙磁路的转化，启示着大型变压器也同样可以从人工精细工艺叠装向零间隙磁路的改进。为了使铁心与铁轭结合面零间隙紧密配合，除了需要对结合面精加工处理外，如何才能在实际变压器中减少甚至消除铁心与铁轭结合面的磁路间隙，如何利用零间隙磁路的特有结构，与原来叠片结构无法采用的新结构相结合，既要结构简单合理，又要施工简便易行，当然更重要的和最终结果，还是要达到变压器的更高效节能和降低装配成本的两大目标。

本发明是这样实现的，一种主要由绕组、铁心和铁轭三大部分组成的单相变压器，其特征是，铁心为非叠片型结构；铁轭为硅钢片叠合型结构；铁心与铁轭间构成零间隙磁路结构。

本发明的技术效果是明显的，首先，零间隙磁路的新结构可以有效减小变压器磁路接缝间隙，减少磁阻，使变压器有较小的空载励磁电流和铁损，提高了变压器的效率；其次，采用圆截面的铁心，相同截面积和相同匝数的绕组，圆截面绕组的导线长度最短，电阻最小，可以降低变压器的铜损；而由于采用零间隙磁路结构，铁心与铁轭可能分体制造叠装，铁心也就可以采用非叠片型代替叠片的叠装工艺，从而大大降低变压器的制造难度和工时成本。

附图说明

图1、现有传统单相壳式变压器磁路一层叠片的结构图。

图2、本发明的零间隙磁路单相壳式节能变压器的分体部件示意图。

图3、零间隙磁路单相壳式节能变压器的外形示意图。

图4、大型单相壳式节能变压器的I型铁轭叠片的形状图。

图5、中大型单相壳式节能变压器的L型铁轭和C型铁轭叠片的形状图。

图6、本发明的零间隙磁路单相心式变压器的部件外形示意图。

图7、零间隙磁路单相心式节能变压器的基本结构外形示意图。

图8、带有凹形圆槽铁轭的心式节能变压器局部纵剖图。

图9、带有凹形圆槽铁轭的心式节能变压器铁心横剖图。

图10、卷铁心产生涡电流的原因分析图。

图11、制造完成的卷铁心整体外形示意图。

图12、现有商品卷料中硅钢带磁流取向与裁剪线关系示意图。

图13、不同商品片材中取向片材裁剪方向线图。

具体实施方式

本发明的变压器磁路结构定义与传统变压器不同，必须另作定义。在本发明书中：

铁心(1)：仅指处于绕组中的磁性器件。

绕组(2)：指变压器的电链，是变压器交流电流进入和流出的器件。

铁轭(3)：指变压器中使铁心中的磁流相互连通、完成回路的磁性器件。

磁路：指变压器的磁链，是变压器的整个磁体，包括铁心、铁轭的总称。

在传统变压器中：

芯部：也称心部、心柱、芯柱，相当于本发明的铁心(1)。

轭部：也称磁轭，指变压器中使铁心完成磁链的器件，包括上轭、下轭，可能还有旁轭，相当于本发明的铁轭(3)。

铁芯：也称铁心，是指变压器的磁链，包括变压器芯部和轭部的整个磁体的总成，相当于本发明的磁路。

绕组：也称线圈，与本发明的绕组(2)定义相同。

采用重新定义，目的是为了清晰区别本发明结构概念上与现有技术的不同，防止混淆。本发明中的绕组(2)定义与传统变压器相同，但铁心的名称与传统大相径庭，传统的铁芯指全部磁性器件，包括了芯部和轭部，因为传统变压器中芯部和轭部是不可分割的整体。传统的单相变压器，虽然由许多叠片叠装而成，但芯部与轭部连成共同磁路，不可分割，所以铁芯也成为变压器芯部和轭部的总称。而本发明中铁心的定义仅指处于绕组中的磁性器件，相当于传统定义中的芯部，之所以要重新定义，目的是在于完全不同的工艺结构路线，因为将传统定义中的铁芯拆分成为本定义中的铁心加上铁轭二大部件，就可以将原有传统变压器的芯部和轭部合在一起的叠装过程，改进为本发明的铁心和铁轭分别叠装，从而将传统工艺操作中的难度，和质量上不能确保精度的二大弊端，都能通过本发明所述的零间隙磁路结构技术加以克服改进。所以本发明的变压器工艺和结构，是属于开创性的发明创造，故必须以不同的结构定义以示区别，防止混淆。

以广为使用中的叠装式变压器而论，传统思路总认为将变压器芯部和轭部连接在一起考虑，希望可以通过叠片上下层之间交错换位叠装相互弥补接缝间隙处的磁阻。但在具体实践中，这一观念既不可能大幅减少间隙磁阻，又造成叠装工艺的繁琐复杂、费工费时。

在传统小型单相变压器中，为了减小变压器的空载损耗，小型单相变压器已从以磁路间隙无法控制的E形硅钢片叠装，以插入绕组的铁芯结构，由铁芯致密度也无法保证的工艺，演变到C型变压器的零间隙磁路，再发展到无间隙磁路的环型变压器和R型变压器，可以说大大减少了气隙磁阻，降低了空载损耗。

而现有的大量传统大型单相变压器，其工艺应该还停留在叠片式E型单相变压器类同的模式中，还没有类似C型变压器的零间隙磁路在大型变压器中出现，致使变压器空载损耗无法大幅降低，这就是本发明的创新方向——零间隙磁路的基础概念，将铁心和铁轭之间的结合面加工到精密的尺寸，就如.同C型变压器一样可以实现零间隙磁路的结构改进。

但是也应看到，在单相变压器中，磁路虽然能从有间隙到零间隙再到无间隙的升级进化降低磁阻和铁损，但C型变压器和环型变压器的铁心截面为矩形，负载损耗较大；而R型变压器、或圆截面的C型变压器和圆截面的环型变压器虽解决了圆截面铁心铜损问题，克服了负载损耗高的缺点，但它们的绕组制造工艺增高难度，且铁磁材料利用率低，缺点更多，所以无法全面替代E型变压器，再加上大型变压器制造方面的特殊要求，更缺乏工艺应用的前景，这就是对本发明新零间隙磁路单相变压器提出的任务。

也就是说，只要拮取单相C型变压器的零间隙磁路的观念，将单相变压器的铁心与铁轭分开叠装，然后再组装成品，以代替二者合在一起叠装的传统方法，以它们结合面的精加工代替传统变压器的精确叠装，既可以大幅降低磁阻损耗，又能大大简化叠装工艺，降低叠装的难度和成本。而铁心与铁轭分开的思路又是对C型结构磁路的改进。

为了解具体改进结构的过程，本文先从单相变压器中较多应用的壳式，再到心式的顺序，从现有传统结构到本发明新结构和新工艺加以阐述展开。

图1所示为现有传统单相壳式变压器磁路一层叠片的结构图。图1中，三种规格尺寸的裁片，拼成一层叠片，先用左边的一至二片叠装，然后用右边的一至二片叠装，直至叠到规定的厚度，叠装即告完工。叠片叠装结束后，抽取上轭成为开放状，在芯柱上安装绕组后，再插入上轭，就成为一台单相壳式变压器。当然这种铁心是矩形截面，所需绕组也为矩形。但是众所周知，相同截面的矩形绕组的用铜量为圆形绕组的至少1.13倍，很不经济，用铜量多更意味着绕组电阻值增加，所以负载损耗大，再加上叠片间隙大，空载电流增加，空载损耗也大，变压器的效率降低。所以稍大功率的单相变压器，芯部一般不再采用矩形而多数采用圆形。关键是圆形铁芯的芯部需要采用宽度不同的多种尺寸裁片，这样裁剪和叠装工时将大大增加，叠装的难度更是大许多倍。

在圆形截面芯部的制作过程中，因为叠片与绕组筒间的间隙很小，所以涉及铁芯叠片叠装过程的工艺要求很高。首先是提高组装精度，以保证产品具有最小的磁路间隙；其次，还要保证芯部叠成一个近似的圆截面。为了防止出现变形、歪斜等情况的发生，每叠一层，甚至每一叠都需要进行叠层部位的校正、修整、测量。在叠装过程中，为了保证一定的叠装速度，必须有叠片人和递片人，至少要多人共同参加1台大功率单相壳式变压器铁心的叠装工作，才能保证工作效率。所以劳动力浪费很大，最后，还有绑扎、起立、插片、烘干、绝缘、封固等等工艺过程，都很费工耗时。

本发明摒弃了铁心和铁轭共同叠装的结构和叠装工艺，是在实现零间隙磁路结构的前提下的才可能实现的工艺操作，其特征表现在，铁心和铁轭完全分离操作，各自单独制作成为独立部件，然后铁心再与第三种独立部件——铁心绕组整合成为联合体，最后将铁心绕组联合体与铁轭分体总装配成整个变压器。所以本发明的磁路分成二个主体部分——铁心和铁轭，与传统概念有所不同。之所以要将两者分离，关键是这样一种分离新工艺，将使铁轭叠装过程大为简化，几乎没有工艺的难度，也几乎没有叠装精度要求。同时，铁心非常简单的卷绕操作，比传统工艺叠装成为圆截面容易。最后的组装，这一点也与传统工艺难以同述，因为新工艺保证变压器结构精度的方法，仅在于对它们之间结合面的精加工上，这种精加工又是传统工艺所没有的。

传统单相壳式变压器的工艺方法相当于将本发明所称铁心和铁轭放在一起加以叠装，叠装复杂性高和经济性差，分开叠装，成本自然大幅降低。

总结以上叙述，本发明的所有结构特征在于：

1、磁路中的非叠片型铁心(1)是由软铁卷绕而成的卷绕型，或者由磁粉填充而的填充型，铁心为圆截面的独立分体部件；

2、铁轭(3)是由硅钢叠片叠装完成的、矩形截面独立分体部件；

3、绕组(2)和铁心(1)整体在总组装前也组装为一联合体形式的中间独立部件；

4、铁心(1)和铁轭(3)间具有经精加工的结合面，结合面为零公差配合，构成为零间隙磁路结构。

图2为本发明的零间隙磁路单相壳式节能变压器的分体部件示意图。本发明的特点是将部件明确分为三大类部件：铁心(1)、绕组(2)和铁轭(3)，这一结构明显区别于现有传统变压器将铁心铁轭作统一结构和工艺制作考虑的特征。在本发明中，铁心(1)是个圆柱形状的软磁体，外部套入绕组(2)，铁轭(3)是个封闭的方形环状的软磁体。铁心(1)和铁轭(3)有两个结合面A和B，A为铁心的上部与铁轭的结合面，B为铁心的下部与铁轭的结合面。从这一点可以明显看出本发明与传统结构的区别，因为传统结构是将整个磁路作为统一结构考虑，是将芯部和轭部在工艺上一起组装和操作的统一结构整体。

在本发明中，铁轭(3)作为铁心间的连接件考虑，以完成磁路的连通任务，铁轭为矩形截面的硅钢片框形冲片，用一副模具冲裁而成。采用套裁模具，可将框内的硅钢片用作小一号规格铁轭的冲片，直至最后剩下的一片作为某一规格变压器的铁心片。最后剩下的冲片，如果铁心也用叠装冲片的话，刚好符合某一规格铁轭的配套铁心冲片，所以这张硅钢片没有浪费，实现100％全部套裁利用，无边角料浪费多余。整副铁轭铁心片就完成了，硅钢片利用率高，边料和浪费极少。有关该冲片详情见中国实用新型专利201420502605.6《小型单相节能变压器》。此外，这样简单形状的模具成本也比较低。

为了减少铁轭转角处的磁阻，矩形框的内框四角和外框四角都可作圆角处理。

铁心则采用非叠片方式制作，具体结构和制造方法在后面各节详述。

如果要制作最小磁路间隙的变压器产品，即零间隙磁路变压器，可以事先设计制作出铁心A、B二平行面的距离略长于铁轭结合面间距离。在铁心和磁轭分别制作完成固化后，在铁心和磁轭的结合处(图2中所标的A和B位置)，分别对铁心和铁轭结合面处作精加工，并使铁心上A、B二平行面的距离等于或略大于铁轭中A、B二平行面间的距离。很明显，这样一种铁心与铁轭的结合面属于过盈配合，过盈配合是无法直接将这样的铁心装入铁轭中的，必须采用热套工艺。具体热套工艺就是将铁轭维持常温而将铁心冷冻，由于冷冻的铁心体积收缩，使铁心AB间的距离缩小后低于常温态铁轭配合面AB间的距离，因此就很容易按AB配合面的设计公差将铁心放进铁轭。铁心放进去后，一旦铁心和铁轭的温度趋于一致，二者的结合处将达到密切结合，消除间隙，并形成零间隙的磁路结构。按照热胀冷缩的原理，或者也可将铁轭加热而铁心保持常温，当然在将铁心冷冻的同时加热铁轭的办法就更容易实现零间隙安装，这些操作属于热套方法安装。安装结束后直接以环氧树脂绝缘漆浸渍封固。由于在变压器实际应用中，铁心和绕组部的发热量通常大于铁轭，所以铁心受热伸展的尺寸量大于铁轭，结合面不再会松动。

图2表示为绕组铁心体装入到铁轭前的示意图，图3即表明为热套过程中绕组和铁心整体刚进入铁轭而尚未全面进入时的情况。

图3为零间隙磁路单相壳式节能变压器的外形示意图。图中明显看出，传统铁轭左右的两边接缝消失了，且铁心为圆柱形。

以上的零间隙磁路壳式节能变压器，称为全封闭型或O型铁轭单相壳式变压器。随着功率的增大，封闭铁轭环的尺寸越来越大，以致于现有商品硅钢片的宽度不能满足铁轭框的尺寸要求，则可采用二种规格的四片长方形冲片叠合成为一个大框，上下层交错叠装而成为一个带间隙的铁轭，由于冲片形如字母I，故有I型铁轭的名称，见图4。

图4为大功率型单相壳式节能变压器的I型铁轭叠片的形状图。由图中可以看出，该结构的磁流流过的空气隙数目，从封闭型的二个增加了一倍，达到四个，这是对节能不利的一面，但I型铁轭叠片可以采用取向性硅钢片，这又是对节能有利的一面。

为了减少零间隙磁路I型铁轭空气隙数目，即降低单相壳式变压器的磁阻，可采用L型铁轭或C型铁轭。如将图4中的一个长冲片和一个短冲片合成为一个L型冲片，则可由二片L型冲片成为一层铁轭，交错叠置所叠成的铁轭称为零间隙磁路L型铁轭。

C型铁轭有三个种类，分别为对称C型或不对称C型。如果将图4中的一个长冲片和二个短冲片，或者二个长冲片和一个短冲片，结合成为一个C型冲片，只要再加上一个长冲片或一个短冲片合成为一副叠片层，各层交错叠置所叠成的铁轭称为零间隙磁路C型铁轭。

C型铁轭分为对称C型或不对称C型，所谓对称C型，指二条开口边一样长，为对称结构，相当于E型变压器的片状结构。所谓不对称C型，指二条开口边不一样长，为不对称结构，类似于斜E型变压器的片状结构，不对称C型的叠装，既可以左右交错叠，又可以上下交错叠，叠层之间的磁流流通性能将更好。因为磁流方向发生转折，所以L型铁轭和C型铁轭不能采用取向性硅钢片，这是对节能不利的一面。

图5为中大型单相壳式节能变压器的L型铁轭和C型铁轭叠片的形状图。其中，最左的单图为L型铁轭叠片，后面三款都为C型铁轭叠片，其中接着的一款为不对称C型，靠右的二款都为对称C型。

I型铁轭、L型铁轭和C型铁轭，都须采用上下层相互交错的叠装方法以相互覆盖间隙，以降低间隙磁阻。

I型铁轭、L型铁轭和C型铁轭中的裁片或冲片，结合口可以采用斜接，增大接触面、减小磁阻，尤其对于有取向磁特性的铁轭，尤其要考虑让磁流尽量按取向流动的斜接结构，以利降低磁损。但斜接裁片或冲片会增加一些硅钢片消耗量，在工业设计中，应根据具体要求，合理选择不同结构。

综上所述，不同的冲片可以构成不同铁轭的单相壳式变压器，分别称为O型、I型、L型和C型铁轭变压器。四种结构各具优缺点，分述如下：

O型铁轭的自封闭性最好，磁路间隙最少，硅钢片利用率最高，叠装最容易，所以磁路磁损也最小。但不能采用取向硅钢片，且不便于大型变压器采用。

I型铁轭最适合大型变压器，硅钢片利用率最高，且能采用取向硅钢片，硅钢片磁损最小。但磁路间隙最多，磁路磁损也最大，叠装最难。叠装工时也最多。

L型铁轭和C型铁轭的优缺点介于O型铁轭和I型铁轭之间，但程度方面也有所差异。C型铁轭的套裁硅钢片利用率较高，C型铁轭和L型铁轭的磁路磁损也较I型铁轭为小，叠装较I型铁轭简单方便，C型铁轭也有自固封闭性。二者共同的缺点是不能像I型铁轭那样采用取向硅钢片，所以硅钢片磁损较其他两型高。

若需要，在同一铁轭中，也允许采用从O型、I型、L型或C型结构混装在同一铁轭不同层中的混合式结构，但其外形尺寸必须相同，且在同一层中不允许。例如，O型和I型混装的铁轭，既可得到自固性，又可利用I型铁轭的低磁阻增加磁流，I型铁轭片间的磁阻可以由无缝的O型片导流，两者相益得彰、优势互补，使本发明的结构特征更符合节能变压器的技术要求。

如需要，铁轭的部分或全部也可做成非矩形截面，例如圆形、圆弧形或圆弧与矩形的混合形。

显然，本发明中的C型铁轭与传统的C型变压器铁心虽然都属于零间隙磁路，但C型铁轭和传统C型铁心变压器是不同的结构，C型铁轭是铁轭与铁心分离的结构，属于单相壳式变压器，而在传统C型铁心变压器中的芯部和轭部是连在一起的，属于单相心式变压器。

零间隙磁路壳式变压器的详细说明可见中国发明专利申请201310203975.X《零间隙和少间隙磁路变压器》。

以上描述的是单相壳式变压器，接下来对零间隙磁路单相心式变压器作介绍说明。

图6所示为本发明的零间隙磁路单相心式变压器的部件外形示意图。零间隙磁路单相心式变压器由二个相同构造的铁心绕组联合体和二个相同构造的铁轭组成，铁心采用卷铁心结构或填充型结构，截面为圆形。铁轭分别称为上铁轭和下铁轭，采用裁片叠装而成的叠装结构，各裁片宽度相同、长度不同，以便在铁轭两端形成两个半圆柱形，覆盖两个边柱上的圆形柱铁心。在本发明图6中，铁轭硅钢裁片均为矩形，裁片的宽度相同而长度不同。

图6中的变压器，铁心(1)与上铁轭(3)的结合面标注为A，铁心(1)与下铁轭(3)的结合面标注为B，这些平面都需要作精加工，以实现零间隙磁路。

图7为零间隙磁路单相心式节能变压器的基本结构外形示意图。该图是一种示意图，图中省略了许多次要部件。

本发明节能变压器制造方法基本原则为，以铁心和铁轭二者的分别叠装代替磁路的共同叠装；以铁心与铁轭结合面的精加工代替磁路的精密定位叠装。

非叠片型铁心零间隙磁路单相节能变压器制造工艺方法如下：

1、铁心制造

本发明的非叠片型铁心主要有两种——卷绕型铁心和填充型铁心，分述如下：

1.1、卷绕型铁心

开料：从大筒卷材中开出比所要求铁心宽度稍宽的卷钢带，卷钢带暂存放在料盘中；

定轴：在卷带机中插入一个小直径的中空绝缘芯棒，校准轴心；芯棒作为卷带轴芯，芯棒上有一缺口，为固定带头用；

开卷：将卷钢带头部准确插入缺口，或将带头粘贴在芯棒上，使带料与芯棒固定，即可开始卷绕；

卷绕：随时调准位置、拉力和卷绕速度，使带料均匀整齐地一层层覆盖在芯棒上，为保证卷绕质量，建议采用恒力矩张力的料盘，直至达到所需铁心直径，端带固定，如遇一个料盘中的卷钢带用完，可接上另一料盘中的卷钢带继续卷绕；

粘结或固化：卷绕完成后，使铁心各层间粘接在一起，不致散架，或用热固法使铁心中各层卷带相互粘接牢固，例如采用类似绝缘电磁线中使线圈定型的热固性材料涂覆在带料上，卷绕结束后加热使铁心固化；

开槽：粘结或固化后，可以沿轴向在铁心的外表至少开一条细槽，槽应该从卷带的一边开到另一边，深度开到绝缘芯棒，但不能割断芯棒，目的是斩断带料的电气连续连接；如大型铁心，可能需要开多条细槽；

绝缘处理：去除槽口里的金属屑，槽口金属裸出部分作氧化、氮化或其它绝缘处理，以生成绝缘物，使卷带各层间没有电气连接；

在卷绕轴心空间填入导磁垫片或填充物，增加导磁截面积；

固定：槽口固定，增加整个铁心的牢固性。

1.2、填充型铁心

填充型铁心工艺是将软铁磁型粉末和绝缘粘接材料均匀混合后，填充在线圈筒中，压实致密或按粉末冶金工艺构成的铁心，更能节省卷绕工时。采用纳米粉末构成的纳米铁心，晶粒更细小，损耗更低。

本发明中的两种铁心既适合于壳式，也适合于心式。

2、绕组制造，工艺过程与现有传统工艺相同，不作说明。绕组制造完成后，将绕组套入铁心，整体铁心连同绕组浸漆固化。

3、铁轭制造

本发明中的铁轭，包括了壳式和心式变压器完全不同形态和结构的铁轭，可通过剪裁机或冲剪机得到几种不同尺寸的铁轭裁片或冲片，作分述如下。

由于铁轭单独叠装，比传统的铁心和铁轭共同叠装简单方便得多了。传统叠装为水平叠装，裁片为水平放置，层层叠叠，上面的压着下面的，即使发现叠装偏差，调整也难，重度偏差除了返工外并没有其它合适手段加以纠正。本发明的叠装则尽可能采取垂直叠装，例如心式单相变压器的铁轭，为如图6所示的细长条形，很适合垂直叠装，此时，铁轭裁片的重力作用在平台上，相互间不会压着，只要将不同长度的裁片按序插入组装平台上的铁轭组装框内，框的尺度大于裁片宽度，所以插入非常容易，待全部裁片插入后，也可加以整理调整。然后将组装框的垂直推板水平推进，逐步向裁片推挤，如发现裁片有不整齐叠放的情况，可以随时松开调整，直至达到设计所需要的形状和尺寸，所以本发明的铁轭叠装可以达到比传统叠装更精密和致密的程度。

对于壳式变压器中的O型铁轭，如果绕度不是太大，也尽可能采用垂直叠装。但对于I型铁轭、L型铁轭，仍应采取水平叠装成为一个方框，但由于截面均为矩形，叠装相对简单，叠装的精度要求也低于传统叠装方法，因为以后的精加工已能保持铁轭与铁心二个结合面的零间隙高质量接触平面的低磁阻要求。

最后，裁片或叠片紧密叠合成为一个两头为半圆柱形的矩形立方体的心式铁轭，或者方框形的壳式铁轭，并绑扎粘合封固。绑扎的方法与传统相似，不作叙述，粘合有多种方法，其中一个实例是采用热固胶或称热固漆，在叠装结束成型后，通过加热使铁轭固化。对于一台心式变压器，需要二个铁轭——上铁轭和下铁轭，二个铁轭的尺寸、外形相同。对于一台壳式变压器，只需要一个铁轭——包括上轭、下轭和旁轭在内的整体铁轭。

如需要，上轭也可做成非矩形截面，例如带圆弧的截面以利铁心中部大量磁流在上轭中的流通，降低磁阻。原则上，下轭也可采用上轭的截面形状，但安装时下轭不平，将不利于变压器在平台上安装。

在单相变压器中，应尽可能采用取向性硅钢片，取向性硅钢片的导磁率高、磁损耗小于取向性硅钢片。在本发明的所有变压器中，铁心均能采用取向性硅钢片，高导磁方向与磁力线流向均为轴向，即各变压器图所示的垂直方向。在铁轭中，则只有心式铁轭和壳式中的I型铁轭，还可能有C型铁轭中的I片，可采用取向性硅钢片，采用取向性硅钢片时，应注意材料的高导磁方向应与磁流方向保持一致。

4、结合面精加工

将上述工序所形成的绕组分别套入铁心中，以组成铁心绕组联合体中间独立部件，并固化。然后对铁心两端的结合面A和结合面B精加工至规定的平面尺寸精度和公差精度；铁轭的结合面也分别作精加工至相应的平面尺寸精度，部件加工完成后等待总装。

5、磁接触面绝缘处理

组装前，先将经过精加工磨平后的铁心和铁轭接合面作绝缘处理增加接触电阻，以降低感应环流的可能性。表面绝缘处理的方法是使铁心和磁轭接触表面金属氧化、氮化或生成一薄层的绝缘介质覆盖在硅钢片金属上，使结合面的导磁性能少受甚至不受影响，而导电性受到遏制，从而限制了可能产生的涡流。

6、总装和紧固

对壳式变压器，总装采用热套法，前文已有说明。壳式的整体紧固，可用夹紧角铁加上穿心螺栓和上下拉紧螺栓紧固，相对简单，不作详述。

对心式变压器，将下铁轭平放在安装平台上，下铁轭的结合面B朝上；将二个组成中间独立部件的铁心绕组联合体正确定位后，整体安放在下铁轭B面上；

将上铁轭的结合面A朝下盖在三个绕组铁心上；

最后安装紧固支架，用紧固件例如紧固螺栓栓紧支架，整个安装完成。

为了增强牢固性，组装前也可对结合面预涂固化胶，本文后面结合具体构造，还有叙述。

7、其它附件安装

例如接线，散热器、传感器等辅助部件的安装，以及测试等程序按常规工艺施工，本文不作区别叙述。

对于心式变压器，由于重力的作用，上铁轭压住铁心，铁心又压住下铁轭，所以结合面会很紧密，经过紧固螺栓拉紧，变压器整体达到紧密牢固连接，实现了零间隙磁路设计要求。

8、浸漆和绝缘处理，与传统工艺相同，不作叙述。

上述工艺方法可按具体实施条件或需要，分别进行或作先后次序的调整施行。

根据上述工艺方法可以得出本发明的特征是，以铁心和铁轭的分别叠装代替磁路的共同叠装；以铁心和铁轭结合面的精加工代替磁路的精密定位叠装。

如果需要更强的牢固性，可以在组装前，对铁心和磁轭的结合面先涂一薄层强力粘接固化剂，那么在安装结束，固化剂固化后，在紧固件和固化剂的共同作用下，牢固性得到加强。采用纳米材料的固化剂，性能效果更好。固化剂应该具有合适的耐热性能，防止变压器运行过程中的发热影响其粘接能力。不加固化剂有利于今后的修理，但结合强度低，有可能产生噪声，加固化剂不利于今后的修理，但结合强度高，噪声也小，可根据不同功率和不同使用要求加以选择。

铁心和铁轭结合面的精加工程度，将直接影响到结合面磁阻的大小，除了结合面磨得像镜面一样光滑外，不可否认，如果用显微镜观察，仍会发现所留下的不平整间隙，除非用成本很高的超精密加工，还可能发现有许多细微凹坑，凹坑会阻滞磁流，增加磁阻和铁损。

为了更好地降低结合面的磁阻，可以在固化剂中加入导磁性微粒，这些导磁微粒可能是无机导磁体，也可能是有机导磁体，特别是纳米导磁体，性能更好，纳米导磁体由于颗粒细小，只可能在固化剂凝固前流入凹坑，不可能嵌在平面中增加间隙宽度。

另一种加强变压器牢固度或增加结合面磁导的方法是采用带有凹形圆槽的铁轭结构。

图8为带有凹形圆槽铁轭的局部纵剖图。在经过固化处理的铁轭上，在每个心式铁心的安装位置的结合面上切割出一个凹形的、底部为平面的圆槽(31)，槽的直径略大于铁心，相当于一个平面坑，坑底为铁心和铁轭的结合平面，并作精加工。圆槽(31)的深度可视结构需要选择，最浅的可能刚刨去表面的不平层，最深的也就占铁轭深度的1％左右(即裁片宽度)，所以对铁轭导磁性能影响甚微。但这样一种沉入结构，通过固化剂的粘着，更容易牢固地将铁心固定在铁轭上，填充在槽内的固化剂中的导磁材料发散在槽中，也更容易减少磁阻和漏磁。同时，带有凹形圆槽的铁轭也可减少铁轭的加工量，因为原来必须对整个铁轭结合面平面精加工，现在只要对二铁心圆位置上的局部小面积内的铁轭作精加工处理，加工量显著减少。

图9为带有凹形圆槽铁轭的铁心局部横剖图，从横剖图可以看出，铁心的截面圆尺寸应小于铁轭上圆形凹槽的直径(为方便观察，图中故意将凹槽直径扩大)，在这样一个细微的圆形环内刚好能容纳固化胶和磁性颗粒。同时可以发现，带有凹形圆槽的铁轭的设计宽度必然大于铁心宽度，才能盖住铁心、形成圆槽型小池，容纳在槽内的固化胶和磁性颗粒，可以更多地减少磁阻和漏磁。上下两个铁轭，宽度大于铁心，恰如帽子和鞋子，盖住铁心，外形也比较美观。但是，这样的设计需增加一定的铁轭成本，所以，是否采用凹形圆槽铁轭，以及凹形圆槽铁轭的设计深度、宽度，应根据产品性价比权衡利弊，作适当判断。

本发明中的铁心截面形状首推圆形，原因是圆形截面的周长最小，有利于降低绕组电阻和负载损耗，同时，绕组的用铜量也最小，经济性高。但是，如果像传统变压器那样用硅钢片叠成圆形，裁片的尺寸规格太多，所以只能用有限的不多种尺寸裁片构成多矩形边近似组成的圆，除非有从很小至直径宽度的许许多多尺寸的裁片，才能构成一个真正的圆形。但是，卷绕铁心却是一个很标准的圆柱形，其截面填充系数高于叠片铁心，尤其高于传统的叠片铁心。制作卷绕铁心的带材为已在材料两面生成绝缘层或涂覆绝缘层的软磁材带料。

根据厂家资料，卷绕式铁芯用于传统中小型变压器有如下优点：

1)在条件相同的情况下，卷绕式铁芯与传统叠装铁芯相比，空载损耗下降7％～10％；空载电流可下降50％～75％；

2)卷绕铁芯可采用很薄的高导磁冷轧硅钢片，可以生产更低损耗的变压器；

3)卷绕铁芯工艺性好，没有剪切废料，利用率几乎是100％；还可采用机械化作业，免除了叠装工序，生产效率比叠装铁芯提高5～10倍；

4)卷绕式铁芯自身是一个整体，不需支持件夹紧固定，又没有一个接缝，因此在与叠装铁芯同样条件下，变压器噪声可降低5～10dB。

在本发明中，虽然应用的方向有所不同，但卷铁心的优点也与现有卷绕铁心同样显著。

据报道，以往卷绕式铁芯常用于互感器、磁放大器、漏电保护器、中小型变压器等器件。在本发明中的结构，可以用于输电变压器。

用于卷铁心的材料有高导磁率超薄冷轧硅钢带材、坡莫合金软磁带材和非晶铁心带材等软磁材料。

由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性能、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。

非晶铁心可由铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金或纳米非晶合金等材料构成，其中铁基非晶合金相对价格低、产量高，比较适合工频变压器使用。

铁基非晶合金是由80％Fe及20％Si、B类金属元素所构成，它具有高饱和磁感应强度(1.54T)，磁导率、励磁电流和铁损等各方面都优于硅钢片的特点，特别是铁损低(为取向硅钢片的1/3-1/5)，代替硅钢做配电变压器可节能60-70％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03mm左右，广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯，适合于10kHz以下频率使用。

硅钢带的厚度为0.18～0.30；坡莫合金带的厚度为0.03～0.10mm；非晶铁心带厚度为0.03mm。

非晶铁心通常也由冶金材料厂带材卷绕而成，与卷绕型铁心的制造方法相同。今后大量生产有可能按变压器厂要求的尺寸规格，由冶金材料厂直接按实际铁心尺寸供货，也可采取粉末压缩或粉末冶金方式制造供货。

当然，已经使用的传统卷绕式铁芯与本发明的卷铁心既有相同之处也有不同之处，相同之处在于所使用的基本材料一样；而不同之处是在于传统中的卷绕铁芯常做成封闭磁路，所以绕组难以放进去，而本发明中的卷铁心，并不是封闭的磁路，仅起本发明定义的铁心的作用，还必须配以铁轭，才能完成磁通路。

此外，本发明所述的单相变压器，功率可以远大于原有使用卷绕式铁芯的中小型变压器。

但是，不能忽视的是，卷铁心有个很大缺陷，那就是铁心中的涡电流问题。所以，首先必须解决卷铁心的涡电流问题，才能使卷铁心达到实用性的要求。

图10为卷铁心产生涡电流的原因分析图。从图中可以看出，卷铁心本身也相当于一个绕组缠绕在铁心上，而磁场就在它内部所围的铁心部分，这时的铁心不仅允许磁流上下流动，它本身也是一种“绕组”，“绕组”所耦合的磁流就是该圈“绕组”圆内所封闭的磁流，越向外层，封闭的磁流越多，感应的电压也高。对于最外层的那圈卷铁心，1MVA单相变的每匝电压可能达到甚至超过10V，由于串联连接，假如采用厚度为0.20mm的硅钢片，铁心外层2mm层间的电压就可能高达百伏，而整个连续的卷铁心从里层到外层的感应电压就会上万伏，这么高的电压，都得靠铁心卷片的层间绝缘加以阻隔，万一层间绝缘不够而产生连接，就会产生大量涡电流，使变压器铁心本身发热损毁。所以涡电流问题是卷铁心结构必须解决的重大制约因素。

本发明对于克服涡电流的解决方法，就是在卷制成的铁心的外表开轴向槽，轴向槽一直开到绝缘芯棒，就相当于将全部串联的线匝切断，感应电压就无法串联积累叠加增大，从而消除产生涡电流的电压源。

对于功率更大的大型铁心，还可以按不同径向位置，开出多条轴向槽，轴向槽呈发散状均匀分布，使每段感应电压不超过10V，甚至更低，产生涡电流的可能性将非常小，至多像硅钢片中涡流的水平。轴向槽与磁流同方向，因此不影响磁流的流动。由于开槽所损失的铁心截面积也不大，可以忽略不计。

图11为制造完成的卷铁心整体外形示意图。其外形呈发散状，类似于硒整流器中所用的菊花片，当然卷铁心的尺寸要比菊花片大得多，且形状是圆柱体形，这是不同之处。总的说来，本发明卷铁心的特征是，在卷铁心中有一条或数条轴向槽，以切断卷片中的累积涡电压，消除铁心的涡电流。

为了加强大型变压器的散热，也可将绝缘槽留存作为通风散热的热气流或热油流通道。其特征是，变压器铁心中有一条或数条由轴向绝缘槽构成的散热通道。

本发明中需要注意的第二个问题，是关于取向硅钢带的磁流取向问题。现有成品硅钢带主要用于制造环型变压器、C型变压器和R型变压器等的需要，所以磁流取向与展带方向一致，可以采用纵裁卷绕，如图12所示。

图12为现有商品卷料中硅钢带磁流取向与裁剪线关系示意图。

本发明中的铁心，为保证磁流在铁心中按轴向流动，如采用现有商品取向硅钢卷带，应采用横裁切成小段，然后拼接成长段卷绕，在拼接时，可以使前后段料带作隔离连接，即不让前后金属带接触，相当于在料带间增加绝缘，则有利于消除涡电流，在该情况下，是否还需要开槽绝缘，则可视具体情况而定。其结构特征是，卷料为由小段带料拼接而成，且各小段间实现电气绝缘处理的铁心无涡电流型结构。由这样的结构构成的铁心，可以视每段带料的长短，继续开绝缘槽，或者省却开槽的工艺。

或者采用沿与展带方向相垂直的硅钢带，这就同样可以采取纵裁制取料带，不需要拼接，不过这样制成的铁心一定要开绝缘槽，除非拼接时使前后段作电气隔离。

图13为不同商品片材取向片材裁剪方向线图。从图中可见，裁剪线总与磁流方向保持垂直关系。

由于本发明采用了零间隙磁路和非叠片铁心，降低了磁损，提高了变压器效率。这样的节能措施在传统的叠片型结构变压器中是做不到的，同时，结构设计也大大减轻了叠片的难度，和对叠装工艺精度的要求，有利于节省工时成本。所以从节能、节材、节约工时成本等诸多方面来讲，本发明的技术效果都是很突出和显著的。

Claims (12)

1.一种主要由绕组、铁心和磁轭三大部分组成的单相节能变压器，其特征是，铁心为非叠片型结构；铁轭为硅钢片叠合型结构；铁心与铁轭间构成零间隙磁路结构。

2.根据权利要求1所述的单相节能变压器，其特征是，磁路中的非叠片型铁心(1)是卷绕型或者填充型的圆截面独立分体部件；铁轭(3)是由硅钢叠片叠装的独立分体部件；铁心(1)与铁轭(3)间具有经精加工的结合面，结合面为零公差配合。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的单相节能变压器，其特征是，变压器为壳式结构；铁轭为以下各类型中的一种或多种：O型铁轭、I型铁轭、L型铁轭或C型铁轭。

4.根据权利要求1所述的单相节能变压器的制造方法，其特征是，以铁心和铁轭的分别叠装代替磁路的共同叠装；以铁心和铁轭结合面的精加工代替磁路的精密定位叠装。

5.根据权利要求4所述的单相节能变压器的制造方法，其特征是，制造过程包括卷绕型铁心或填充型铁心制造、绕组制造、铁轭制造、结合面精加工、磁接触面绝缘处理、总装和紧固、其它附件安装、浸漆和绝缘处理的工艺工序。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的单相节能变压器的制造方法，其特征是，变压器为心式结构铁轭，或壳式结构中的O型或C型铁轭；铁轭采用垂直叠装的方法。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的单相节能变压器，其特征是，铁心与铁轭结合面间有强力粘接固化剂，或者再在固化剂中添加有导磁性微粒，导磁微粒可能是无机导磁体、有机导磁体、，或纳米导磁体。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的单相节能变压器，其特征是，变压器为心式；磁轭上有带凹形圆槽的结合面构造。

9.根据权利要求1所述的单相节能变压器，其特征是，铁心为卷绕型。

10.根据权利要求1或权利要求9所述的单相节能变压器，其特征是，在卷铁心中有一条或数条轴向槽，以切断卷片中的累积涡电压，成为没有铁心涡电流的菊花柱结构。

11.根据权利要求1或权利要求9所述的单相节能变压器，其特征是，卷料为由小段带料拼接而成，且各小段间作电气绝缘处理的铁心无涡电流型结构。

12.根据权利要求10所述的单相节能变压器，其特征是，变压器铁心中有一条或数条由轴向绝缘槽构成的散热通道。