CN105990003A - 立体混合型零间隙磁路三相变压器 - Google Patents

Abstract

立体全对称三相变压器，是中大型变压器制造领域中的重大技术进步，可以有效解决变压器磁路不对称所引起的电压电流不平衡。本发明是在立体叠片型和立体卷绕型结构的基础上，将两种结构优势互补产生的另一大类系列化的立体化型结构铁心、铁轭的具体结构、工艺处理和制造方法，具有开创性和实用性相结合的特点，技术成熟。与立体叠片型和立体卷绕型结构有相同的市场前景，能很快进入工业生产领域。

Description

立体混合型零间隙磁路三相变压器

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工艺，具体地说，是创建一大类立体新结构新工艺的三相变压器。

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，以通过电能和磁能相互转化的方式改变交流电的电压。

传统大功率平面型三相变压器的结构，中间相的磁路短、间隙少，而两个边相的磁路长，间隙也多，造成三个相在磁路结构上的先天不对称，引起三相励磁电流的不平衡，不平衡的三相电流又会招致负序电流，对电网和发电机产生不良影响，成为正常电力供应的一个重大制约因素。

为减少磁能损耗，达到三相平衡，小型三相变压器已由有磁路间隙的薄硅钢片叠片型改进为无缝磁路间隙的立体R型卷绕铁心结构，解决了磁路结构的先天不对称，但R型变压器的绕组制造困难、工时效率低、且高压和大功率绕制的限制条件难以满足；此外，立体R型铁芯的硅钢带材料利用率低、成本高的问题，等等新的问题出现。所以总的说来，为彻底解决变压器的三相平衡问题，特别是在大功率、特大功率应用方面，现有产品和技术尚有相当距离、任重道远。

此外，目前大量三相变压器仍沿用精细的叠装工艺保证磁路的最小间隙，但是该工艺的工时效率低，质量受人为工艺技术影响、不能很好保障，必须采取新思路、新结构加以根本性的解决，而如何利用现有成熟的叠片工艺创建立体型三相变压器，也是有价值的探索。

发明内容

本发明的目的，是通过变压器磁路结构的改革，找到一条更好的途径，来解决磁路不对称问题，由现有传统叠片结构入手，同时简化立体R型变压器工艺，降低制造成本；减小材料损耗，提高效率、实现变压器结构和工艺的全对称改造。本发明涉及变压器的磁路结构的重大改进，叠片和卷绕工艺的创新性简化，而产生的叠片结构和卷绕结构的混合型结构。

本发明是在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的前提下，所作的开创性发明。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，对叠片型三相变压器和R型三相变压器结构和工艺优势互补所产生的混合型新结构。

本发明是这样实现的，一种主要由绕组、铁心和铁轭三大部件组成的立体三相变压器，其特征是，变压器为同时采用叠片结构和卷绕结构的全对称磁路；铁心与铁轭分体制造且二者结合面为零间隙磁路。

在本发明中，不管采用叠片结构还是卷绕铁心结构，都能在磁路结构上获得对称平衡条件的混合新结构，具有制造容易、成本低廉，质量保证、省工省时的特点。

本发明的技术效果是明显的，首先，零间隙磁路结构减少了叠片空气隙数量以及磁阻，达到节能效果；其次，由零间隙磁路结构产生的变压器立体全对称结构又全面解决了现今大量使用中的平面叠片型结构变压器三相磁路的不对称问题，使三相磁路趋向对称平衡，解决了电气相间平衡的问题；最后，零间隙磁路属于有间隙的新结构，又可以有效解决立体R型卷绕变压器绕组制造工艺中的种种困难，提高材料利用率，大幅降低成本；而混合型立体结构为变压器向大功率、特大功率三相平衡发展开辟了一条全新道路，创造出一批易于产业化的多系列新产品。

附图说明

图1、现有传统平面型铁芯三相变压器叠片形状图。

图2、现有传统平面型铁芯三相变压器磁路分析图。

图3、本发明的零间隙磁路平面型铁心三相变压器叠片形状图。

图4、现有传统立体R型三相变压器整体磁路结构简图。

图5、现有传统立体R型三相变压器磁路分体图。

图6、现有传统立体R型铁芯绕制方向图。

图7、卷绕完工的立体R型铁芯外形图。

图8、本发明的立体叠片型变压器的铁心视图。

图9、立体叠片型变压器的矩形截面铁轭视图。

图10、立体叠片型变压器弧形截面铁轭视图。

图11、本发明的铁心叠片与铁轭叠片方向关系图。

图12、卷铁心产生涡电流的原因分析图。

图13、本发明的制造完成的卷铁心示意图。

图14、圆环形卷绕铁轭的变压器顶视图。

图15、外圆环形内侧三角形卷绕铁轭的变压器顶视图。

图16、本发明的带有凹形圆槽卷绕铁轭的顶视图。

图17、带有凹形圆槽铁轭的磁体局部纵剖图。

图18、现有商品卷料中硅钢带磁流取向与裁剪线关系示意图。

图19、使用板材的开料方向与磁流取向之间的关系。

图20、“卷绕铁心+叠片铁轭”组成的立体混合型三相变压器磁体外形图。

图21、“叠片铁心+卷绕铁轭”组成的立体混合型三相变压器磁体外形图。

图22、“上叠片铁轭+下卷绕铁轭+卷绕铁心”立体混合型三相变压器磁体外形图。

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：

心部：也称芯部、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(2)：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，传统的铁心指全部磁性器件，包括了心部和轭部。传统的三相变压器，虽然由许多叠片叠装而成，但心部与轭部连成共同磁路，不可分割，所以铁心也成为变压器心部和轭部的总称。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心部，之所以要重新定义，目的是在于完全不同的工艺路线，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心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制造叠装，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。

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心部和轭部连接在一起考虑，可以通过叠片层面的交叉换位叠装，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。

以已经过实践证实的小型变压器为例，小型E型壳式变压器从有间隙磁路向C型心式变压器的零间隙磁路的进化，其实质是将裁片和叠装过程中无法控制的磁路间隙，向磁路结合面精加工的转化，代表着新技术结构和工艺发展的方向，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技术性能和降低材料、装配成本的两大目标。

图1为现有传统平面型铁心三相变压器叠片形状图。

图1中，三种规格尺寸的裁片，拼成一层叠片，先用左边的二至三片叠，然后用右边的二至三片叠，直至叠到规定的厚度，当然这种铁心是矩形截面，所需绕组也为矩形。但是，矩形绕组的用铜量大于圆形绕组，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，所以空载损耗也大，变压器的效率降低，所以芯部一般不采用矩形而多数采用圆形。关键是圆形铁心的芯部需要采用宽度不同的多种裁片叠制，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，涉及铁心叠片叠装过程要求很高，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准确的似圆截面。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9人共同参加一台铁芯的叠装工作才能保证工作效率，劳动力浪费很大，最后，还有绑扎、起立、插片、烘干、退火、绝缘、封固等等过程，都很费工耗时。

传统的三相变压器，虽然由许多叠片叠装而成，但芯部与轭部连成共同磁路，一起叠装，不可分割，所以铁芯也成为变压器芯部和轭部的总称，二者一起叠装，难度当然比二者分开单独叠装大了很多。

在上述三个芯柱上安装三个绕组，就成为一台三相心式变压器，它比同功能的三台单相变压器节省磁路材料，所以在全球三相电系统中获得广泛应用。

图2为现有传统平面型铁心三相变压器磁路分析图。图中，三个铁心(1)为矩形截面，上面套入绕组(2)后，由铁轭(3)将三个铁心柱连接成为封闭磁路。

为方便起见，就以图2中最简单的矩形铁心为例来分析传统三相变压器的磁路特点。首先发现，磁路上每层叠片有7个之多的空气间隙，这些磁路间隙都存在磁阻，为减少磁阻，除了将上下层采用图右的一层叠片，以交错叠装的方式，减小间隙处的磁阻，还是必须尽量用精细叠装加以间隙控制，一共有多少层叠片，磁路间隙就乘上多少倍，得化多么大精力放在精细叠装上。

假如在自左到右的三个芯柱中分别放进A、B、C三个绕组产生磁流，可以发现，从A柱流到B柱的磁流需越过4个间隙，而从A柱流到C柱的磁流需越过6个间隙，且其流动的磁路长度也比B相磁流大了一倍，所以在AC柱间磁流的阻力明显高于AB柱，同时也可发现，B柱磁流的阻力最小，路径也最短。所以说，现有传统平面型铁心三相变压器磁路是不对称的，那么三相绕组的感应电压和电流也是不平衡的。

图3为零间隙磁路平面型铁心三相变压器叠片形状图。

零间隙磁路三相变压器的磁路，其实要比传统变压器更简单，首先它将铁心和铁轭分别叠装，心归心，轭归轭，各自叠装，而且是分5块叠装，比起5块一起叠装的现有工艺当然容易得多。其次，其铁心和铁轭结合面经过精加工、实现零间隙磁路，其磁阻、励磁电流和磁损自然就比较低，可以达到更高的节能效果。

相较于普通平面型三相变压器，从对称性上比较，零间隙磁路每个相柱流到它相柱都是相等的4个间隙，对称性上比传统变压器优秀，虽然AC间的磁路还是比较长，但至少从磁路间隙相等这一角度衡量，它的磁阻差值还是比传统叠片型结构小，对称程度稍高，平衡性也较好。这一优点不可抹杀，这些优越改进的合理性来源于零间隙磁路，所以说，零间隙磁路是本发明结构的技术基础。

但上述对平衡性有所改进的结构，毕竟还不是全对称的磁路结构，只是零间隙磁路所带来的一个积极效果。下面需要追求的，是通过零间隙磁路产生一条通向全对称变压器的捷径。为了更好引入这条捷径，先以立体卷绕式R型三相变压器为引子加以说明展开。

图4为现有传统立体R型三相变压器整体磁路结构简图。

图5为现有传统立体R型三相变压器磁路分体图。

平面型的R型变压器磁路，即R型单相变压器磁体，相当于一个圆形截面、外形为方框的对称结构磁体，从宽度较小的卷带到圆直径宽的卷带，再回复到宽度较小的卷带，截面成圆形，几何图形简单直观，卷绕的算法也很简单。

但是，从图5中可以发现，立体R型三相变压器的磁路很不简单，其三块形状尺寸完全相同的、带有复杂立体形状的半个圆截面的铁芯。其单个铁心是一个立体不对称几何结构图形，包括二个半圆截面的芯柱，两边的垂直部分是两个半圆截面的铁心，半圆面不在同一平面内，半圆平面之间的夹角为120°。上下两铁轭也应该是个斜的半圆，且其截面积与半个铁心截面积相等。这样的铁心似应按图6的卷绕方式制作，是较难设计和制作的。

图6为现有传统立体R型铁心绕制方向图。绕制按垂直于铁轭水平线的垂直方向设计，以最内端的a点开始，按30°角倾斜的半圆向最外端绕到z，并在上端形成平面而下端形成半圆形截面。

图7为卷绕完工的现有立体R型铁心外形图。图7是以图5左上角那块磁体描绘的外形图。反正这样的磁体已经实实在在制造出来了。

也就是说，既然已有现成的立体R型三相变压器实现了产业化，就可以参照该结构形状，采用其它更简洁易行的结构来实现同一立体全对称目标，这个全对称新结构目标的共同特征包括：

1、变压器的三个相同铁心呈三角形立体分布，相间铁轭等距离；

2、铁心与铁轭中，既有叠片结构，也有卷绕结构；

3、铁心与铁轭作为相互独立的部件，分体制造、卷绕或叠装；

4、铁心与铁轭的磁结合平面采取特殊磁路结构和连接结构。

根据图5、图6的R型三相变压器磁体图，如果采用本发明铁心和铁轭分开制造的方法，采用叠片结构分别制造铁心和铁轭，那就非常地简单容易。即按图4和图5的现有立体R型变压器的磁路结构，将磁路分解为铁心和铁轭二大部件，总共为9块，即三个铁心、6个铁轭块的思路去制作裁片，分别叠装，最后组装制造成为一台立体全对称叠片型三相变压器。

图8为立体叠片型变压器的铁心视图。图中，根据现有传统圆截面铁心的裁片方式，裁剪出长度相同、宽度不等的一组裁片，依照圆形截面的外形形状叠制，通常采用水平叠装方式叠装。对于挠度较高的裁片，甚至可以采用垂直叠装。垂直叠装时，裁片重力作用在安装平台上，校正挪移均十分方便，显然这一工艺比现有的变压器铁心铁轭一起的整体叠装容易得多。三个铁心可以分体独立叠装，互不相干；而传统三相变的三个铁心必须一起共同叠装。

图9为立体叠片型变压器的矩形截面铁轭视图。上下各铁轭也分成3段，共计6段单块铁轭的形状尺寸完全一样。图9中上半部分为顶视图，可以看出图例中的单块由11种宽度相同、长度不同的叠片构成成为能联接并覆盖二个刚好为半圆铁心的铁轭。铁轭必须全部覆盖到铁心圆弧面，以防止铁心漏磁向空间发散，但在半圆的直径处，超过半圆直径的叠片，将与另半边的铁轭产生冲突，所以在叠制完成并固形后，必须切削加工去除多余部分，成为半圆形。图9的下部为铁轭的侧视图，该分多少级，每个分级的宽度为多少，应视具体产品而定，分级越多，所叠成的半圆越精确，也可能不需要再加工切割。图9所示铁轭为矩形截面结构，截面积覆盖半个铁心，铁轭截面也相当于半个铁心截面积。

图10为立体叠片型变压器弧形截面铁轭视图。

由于在矩形截面结构的铁轭中，每片轭叠片的宽度是相等的，而它们所处于铁心半圆中的弦长是不等的，例如在图示中将它们所处于半圆部分的弦长分别标示为b1-b11总共11档，b11最短而b4最长。假设由绕组电流在铁心柱中的产生的磁流是均匀的，那么由铁心传导到铁轭b4层中的磁流一定大于传导到b11中的磁流，但是图10矩形等截面铁轭结构中的包括b4到b11所有铁轭叠片的宽度是相同的，磁阻相同，不同的磁流这就会在铁轭不同层叠片间产生磁势差，在该磁势差作用下，部分磁流会在叠片层间转移而达到相对平衡，当然层间磁流会产生额外的磁损。为此，必须采用图10的弧形截面结构，采用不同长度和宽度的铁轭裁片，使每片铁轭裁片的宽度等于与其接触的铁心叠片在半圆中的弧长，这样就可达到磁势、磁流的自然平衡，消除层流，减小磁损，提高变压器效率。图10中的上部为铁轭叠片俯视，下部为铁轭的侧视图。

本发明的立体叠片型三相变压器可以采用上下铁轭都为弧形截面的结构，但是考虑到下轭不平的弧形会对总装和今后安装产生不利影响，也可以在上轭中采用弧形等截面结构，而下轭仍采用稳性较高的矩形等截面结构。考虑到图9矩形铁轭层流影响，可以适当放大截面积。不伦是上铁轭还是下铁轭，弧面可以朝上放置，也可以朝下放置。

矩形截面铁轭叠片开料时，通过剪裁机得到几种不同尺寸的铁轭裁片，铁轭裁片为同一宽度但不同长度的一组硅钢片，叠装绑扎成型后可成为矩形截面的铁轭；如需要弧形截面的铁轭，裁片为不同宽度和不同长度的一组硅钢片；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手段加以纠正。

本发明的叠装则容易采用垂直叠装，特别是铁轭，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，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。

最后，铁轭裁片紧密叠合成为一个两头为半圆形的立体几何形体，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，通过加热使胶融化成粘糊状，冷却后将铁轭固化。

一台变压器需要二个铁轭——上铁轭和下铁轭，二个铁轭的尺寸、外形可以相同也可以不同。

图11所示为铁心叠片与铁轭叠片方向关系图。

为使铁心叠片中的磁流均衡流入相邻二块铁轭叠片中，二者的叠片方向关系的原则为：使每片铁心叠片都能与任一铁轭叠片相连通，便于使铁心每一叠片中产生的磁流很方便直接从一个相转移到另一个相。如图11所示的方向关系为：铁心叠片层面与任一相间铁轭叠片层面保持60°交角。

为减小磁阻、增加磁流流通，二片铁轭之间、铁轭与铁心结合面之间均形成零间隙磁路结构，三块铁轭间也保持低磁阻连接，使任一铁心的磁流既可通过直连铁轭进入一个铁心相，也可越过第三相上的铁轭进入邻近相的铁心。

从上面所叙述的叠片型立体全对称三相变压器结构构思中可以看出，采用零间隙磁路的结构后，叠片型工艺同样能实现R型变压器的立体化，并不是非得采取卷绕型不可。从而，可以在传统大型叠片结构的工业基础上，开创出大型、特大型变压器的全对称磁路、三相平衡的新结构思路的产品。

本发明所用的磁性材料为铁硅系合金、铁铝系合金、铁硅铝系合金、镍铁系合金、铁钴系合金、羰基铁、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、铁基非晶合金、非晶纳米晶合金软磁复合材料。

下面探讨在立体全对称三相变压器中采用卷绕式铁心和铁轭的更简单的结构，当然，这种探讨的前提仍然是零间隙磁路结构。

首先介绍已有的卷绕铁心。

根据厂家资料，卷绕式铁芯用于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。

本发明将有可能在更大容量变压器中使用卷铁心结构。

当然，已经使用的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，相同之处在于基本材料一样，都采用取向带料采用卷绕工艺；而不同之处是在于传统中的卷绕铁芯常做成封闭磁路，所以绕组难以放进铁心，而本发明中的卷铁心，并不采用封闭的磁路，仅起本发明定义的铁心单一作用，还必须配以铁轭，才能完成磁链路。

此外，本发明所述的三相变压器，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，不能忽略的是，本发明的卷铁心存在一个很大缺陷，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12为卷铁心产生涡电流的原因分析图。从图中可以看出，具有金属性的卷铁心也相当于绕组缠绕在铁心上，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”导体，“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，感应的电压也越高。对于最外层的那圈卷铁心，1MVA三相变卷绕铁心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上百伏，而整个连续的卷铁心从里到外层的感应电压就可能高达上万伏，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形成电连接，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事先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。这样，产生涡电流的可能性将非常小。轴向槽与磁流同方向，因此不阻碍磁流的流动。由于开槽所损失的铁心截面积也不大，可以忽略或适当增大直径，以补偿因开槽所致截面积的损失。

图13为制造完成的卷铁心示意图。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，可发现本发明卷铁心的其特征是，在卷铁心中有一条或数条轴向槽，以消除铁心的涡电流。

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。

下面接着对卷绕型变压器的铁轭加以说明。

图14为圆环形卷绕铁轭的变压器顶视图。该铁轭为圆环外形的简单几何体形状，类似于单相环形变压器的铁芯。铁轭的内圆与铁心圆外切，铁轭的外圆与铁心圆内切，截面为矩形。图中，大圆部分均为可见的，是圆环形的铁轭(3)；小圆部分均不可见，是虚线标示的圆柱体的铁心(1)；中圆部分，则是部分可见、部分不可见的绕组(2)。

在本发明的卷铁心中，磁力线是按轴向流动的，即图中的垂直方向。而在本发明的铁轭中，磁力线是按圆周方向流动的，即图中的水平方向，所以发生在铁心中的严重涡电流问题并不存在于铁轭中。如按圆柱形状设计铁心，按圆环形状设计卷绕铁轭，分别卷绕制造，相比于立体R型变压器的整体磁体绕制来说，是非常容易操作和实践的工艺。

图14中的铁轭采用纯圆形，使各相间的铁轭长度大、磁路长，磁损增加，同时材料用量也不尽节约。为此，可尝试改用三角形内孔的办法开始卷绕，以缩减磁性材料用量和降低磁路损耗。

图15为外圆环形内侧三角形卷绕铁轭的变压器顶视图。首先，要把内三角的顶角改为圆弧形，这样才符合卷绕内芯模具的要求。由于顶角处铁轭的厚度必须达到铁心直径，才能使铁轭全部覆盖到铁心磁路，而如果铁轭外围也成为直线的话，那么其厚度肯定小于铁心直径，那是不可能的。按绕制矩形线圈的规律，转角处线圈的厚度必定小于直线处线圈的厚度，从铁心的内圆处开始绕制，一直绕到铁心的外圆处，按卷绕的规律，锐角处总是比钝角处绕得更紧密，所以虽然开始绕的时候大部分还有接近三角形的直线段，但绕到外面，就变成弧线了，再继续绕下去，就会变成圆形。这一规律在变压器的矩形绕组中是最常见的现象，里圈还是矩形的线框，绕到最外面，就变成圆形线包了。也就是说，从内线框为直线部分向外测量的厚度应该大于小角度处向外测量的厚度。这样就会产生非铁心位置铁轭片间的膨胀松散的问题，招致铁轭产生严重噪声。为此，可在这直线段内框部分铁轭中增设散热导管(30)，以解决膨胀松散的问题。散热导管的个数，可根据设计计算确定，少则三个，多则六个、九个，或更多，反正只要是三的倍数，都可以，目的是对称分布，散热均匀。图中为属于九个散热导管的设计(图中仅画出三个，另二处的六个未标出)。增加散热导管后，既可减省磁材用量，又可减少铁轭部分的损耗和热量，可谓一举三得。

外圆为环形、内侧为三角形的卷绕铁轭，可以用于上轭和下轭中，或者用于上轭或下轭中之一。其特征为，采用圆弧形内三角的铁轭中，可以增设散热导管(30)。

上述两种不同形状的卷绕型铁轭都为矩形截面，矩形截面的优点是绕制比较容易，磁材利用率高，很适合用作为下铁轭，因为下铁轭承受整个变压器的重力，底部为平面的矩形截面铁轭承重能力强、稳定性好。

但是由于在矩形截面结构的铁轭中，每层片中导磁轭片的宽度是相等的，而它们所处于铁心圆位置中的弦长是不等的，中间位置较长的弧段从铁心流入的磁流量大而两边磁流量小得多。假设由绕组电流在铁心柱中所产生的磁流是均匀的，那么由铁心传导到铁轭中段的磁流一定大于传导到铁轭两边中的磁流量，但是矩形等截面铁轭结构中的所有铁轭磁片的宽度是相同的，磁阻基本相同，不同的磁流就会在铁轭不同层间产生磁势差，在该磁势差作用下，部分磁流会在片层间转移而达到相对平衡，当然层间磁流转移会产生额外的磁损。为此，必须采用弧形截面结构的铁轭，铁轭环的中间部分隆起而两边凹下，形如环形山。弧形截面铁轭在传统的叠片平面型大型变压器中也广泛应用，比较容易理解。采用弧形截面铁轭，就可达到铁轭导流层间磁势、磁流的自然平衡，降低或消除层流，减小磁损，提高变压器的效率。

弧形截面铁轭也适合于上、下铁轭，特别是上铁轭。

综上所述，卷绕铁轭分为纯圆形和外圆环形内侧三角形两种外形结构；以及矩形和弧形两种截面结构；可用于上轭和/或下轭的总共32种组合。

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。

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。

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，由冶金材料厂直接采取粉末压缩或粉末冶金方式制造。

上文所提涡电流是本发明的零间隙磁路立体变压器所需要解决的第一个技术问题，而结构刚度强度是本发明需要解决的第二个具体技术问题。例如，本发明中的铁心柱容易水平滑移，刚度也不及R型变压器。

加强本发明变压器刚度的方法之一是采用带有凹形圆槽的铁轭。

图16为带有凹形圆槽卷绕铁轭的顶视图。

所谓凹形圆槽，就是在与铁心相接触的铁轭部分，挖出一段底部为平面的柱形槽，槽的直径大于铁心直径，以便让铁心嵌入槽内，防止铁心水平移动，而在槽内加注适量粘结固化胶，也起着加固磁体结构强度刚度的作用。

从图中可以看出，铁轭上的圆形凹槽的直径应大于铁心的截面圆尺寸，裁能使铁心放入槽中。在这样一个细微的圆形环内刚好能容纳粘结固化胶和磁性颗粒。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，才能容纳槽内的粘结固化胶和磁性颗粒，不易溢出。这样，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，盖住三个立体铁心，外形也比较美观。但是，这样的设计需增加一定的铁轭宽度，从而增加成本，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，应根据具体产品的性价比权衡利弊，作出恰当判断。

加强本发明变压器刚度的方法之二是采用上轭夹板与下轭夹板间用长螺杆拉紧的构件，夹板与螺杆必须与磁路之间采取电气绝缘和磁性隔离，防止漏磁和杂散磁场作用产生的涡流。

本发明需要解决的第三个具体技术问题，就是取向性磁性材料使用中所带来的新问题。

众所周知，取向性硅钢片的导磁率高、磁损耗小于非取向性硅钢片。在传统三相变压器中，为了增加磁路的导磁率，降低磁阻和磁损，以提高变压器的效率，普遍采用取向性硅钢片。例如，叠片平面型的铁心和铁轭采用45°斜接的叠片，R型立体变的整体磁路按卷片的弯曲使磁流跟着转向，都已解决了磁流在取向性磁材中的转向问题。

但在本发明中的铁心铁轭中，铁心中高导磁方向与磁力线流向均为轴向，即垂直方向；而铁轭中的磁流为水平方向。如两者都按上述零间隙磁路结构直接采用取向磁材的话，在上述叠片型铁心铁轭或卷绕型铁心铁轭连接处，将会遇到磁流转向时的额外磁损耗问题。

由于磁流在铁心中是垂直方向流动的，而在铁轭中会成为水平方向流动，也就是说，磁流在从铁心转移到铁轭流动时，流向发生变化，在取向性硅钢片磁流转向时会产生晶间流动损耗。

为解决这一问题，本发明在铁心与铁轭之间两者中择一采用非取向性磁材，也就是说，或者铁心采用取向磁材而铁轭采用非取向磁材，或者铁心采用非取向磁材而铁轭采用取向磁材，只能舍弃鱼与熊掌兼得的目标，使铁心与铁轭，两者中择一采用非取向磁材，就不再存在磁流转向时的转向磁损耗问题。

其实施方法是，为减小整个变压器的磁损，可以采用较长的取向铁心，绕组厚度变小，铁轭缩短减少铁轭损耗的方案；或者反之，铁心采用非取向而铁轭采用取向磁材，同样不再存在磁流转向时磁损耗大的问题，为减小整个变压器的磁损，可以采用较短的铁心的大直径绕组，增加铁轭尺寸的方案。这些方案的目标是尽量减少非取向磁材的使用量，以降低磁损。

另一个比较彻底解决铁心与铁轭间磁流转向损耗的结构，是在铁心与铁轭间增加一层磁流过渡层，也可以减小磁流转向时产生的额外损耗。磁流过渡层为非取向性磁性材料，其直径可以与铁心相同或稍大，先使其将铁心流入的磁流扩散转向，然后它与铁轭的接触面成椭圆形延伸，使磁流更容易多角度渗透进铁轭，减小磁流转向时的损耗，这时，本发明的铁心和铁轭就都可以采用取向性磁材了。

磁流过渡层不必太厚就可以达到磁流转向的目的，所以过渡层内的附加磁损并不大。在采用磁流过渡层后，如过渡层为刚性磁材，则过渡层分别与铁轭铁心结合处都须精加工，如过渡层为柔性磁材，则因过渡层的存在，对铁心铁轭结合面就都不需要作加工处理，因为粗糙的结合面既增加了磁流的接触面积降低了磁阻，有利于磁流扩散转移、克服磁阻力，还利于通过粘结固化剂增加变压器整体结构的刚度强度，可谓一举两得。而不作加工处理也能节省磁体的制造成本。

磁流过渡层更适合于与凹形圆槽相结合，将凹形圆槽适当开深开大些，甚至开成椭圆形，将磁流过渡层垫于槽内，辅以含有纳米或非纳米细磁粉的粘合固化剂灌入槽内，磁流过渡层沿铁轭片方向延伸，磁流转向效果更好，这样就可解决本发明中所遇到的磁流转向损耗增加的问题。

图17为带有凹形圆槽铁轭的磁体局部纵剖图。

图中，凹形圆槽(31)的深度和宽度明显增加，先在槽内灌入少量含有磁粉的粘结固化胶(33)，再放一层磁流过渡层(32)，过渡层的尺寸小于槽直径而大于铁心直径，再次灌入含有磁粉的粘结固化胶，直至溢出，任其沿铁轭向卷带方向漫溢。

图17显示，凹形圆槽铁轭具有两大功能，它像一个结构性榫坑，将铁心牢固地插入坑内，防止铁心水平方向移动，容纳粘结固化胶留存在槽内，达到铁心与铁轭的牢固结合，弥补零间隙磁路强度刚度的不足，这是它的结构性功能。

凹形圆槽的第二个功能是导磁功能，表现在：一方面，即使做到在宏观上的零间隙磁路，间隙仍将存在并直接影响到结合面磁阻的大小。即使结合面磨得像镜面一样光滑，如果用显微镜观察，仍可能会看到表面留下的一些不平整间隙，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，可以在粘接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微小，只能在粘接固化剂凝固前流入凹坑，增加磁导，使结合面的磁阻更小，不可能嵌在平面中增加间隙宽度。

第二方面，较大较深的凹形圆槽内可以容纳磁流过渡层，磁流过渡层为非取向性导磁体，处于铁心、铁轭的磁性中介地位，经过磁流过渡层的过渡，磁流由铁心内的垂直流向平滑过渡到铁轭内的水平流向，又减少了转向磁损耗。

此项结构改进，使本发明铁心铁轭中所使用的硅钢片、硅钢带都可采用磁损耗较小的取向性软磁材料。

零间隙磁路结构提出的原始目的，是减少变压器磁路空气间隙的磁阻，降低磁损，提高变压器的效率，达到节能的目标。而该结构提出一年多时间后的技术进展表明，零间隙磁路结构更大的创新，是将铁心和铁轭分离操作所带来的结构、工艺方法的创新潜力。例如，采用了零间隙磁路结构，就很容易制造立体全对称的三相变压器，正如本说明书前面部分所介绍的卷绕型铁心和铁轭，都很方便制造，不再存在任何工艺难题或操作困难。同时，相比于R型变压器，磁材的利用率也得到提高。

在裁剪或冲剪取向性材料时，应注意材料的取向特性应与变压器部件中的磁流方向一致。在铁心中，磁流是垂直流动的，而在铁轭中，磁流是水平流动的。

尤其要注意，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，可以沿展带方向采用纵裁卷绕，如图18所示，但在本发明的铁心中，这样的商品卷材必须采用横裁取带。

图18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电气隔离连接，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。

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。

图19为使用板材的开料方向与磁流取向之间的关系。从图中可见，裁剪线总与磁流方向保持垂直关系。

采用零间隙磁路结构后，就很容易制造立体全对称的三相变压器，正如本发明所介绍的，不管采用叠片型还是卷绕型，几何图形简单工整，都很方便制造，不再存在任何工艺难题或操作困难。

在上面的分析说明中可以发现，由于零间隙磁路结构解放了变压器对于铁心铁轭的结构束缚，所以铁心铁轭可以采用不同的结构形式，例如卷绕型铁轭配叠片型铁心，或者卷绕型铁心配叠片型铁轭，成为本发明中的一大类称为混合型的变压器磁路新结构。

如果感到立体全对称卷绕型铁轭的硅钢带用量较大，材料费用较高，那就可以采用叠片型铁轭代替卷绕型铁轭，成为卷绕型铁心配叠片型铁轭的混合型结构的立体全对称三相变压器。当然，考虑到卷绕型铁心的制造难度高于叠片型铁心，也可以采用卷绕型铁轭配叠片型铁心的混合型变压器，卷绕型铁轭的优点是一个铁心的磁流可以从卷绕环的二个方向流通到邻近的铁心，相当于二个并联电阻在电路中可以降低总电阻的值，有利于减少磁阻。甚至于下轭用卷绕型而上轭用叠片型，都可以实现。任何一种混合型产品都可以按功能的需要很容易制造出来，本发明不可能例举所有不同结构，只能代表性地介绍几种典型结构。

叠片型变压器的特点是产品多且广，功率大电压高，工艺技术成熟。卷绕型的特点是工时成本低，能效指标高，体积重量小。但是，两者在立体化变压器方面都还不很完善成熟，所以二者在变压器立体化进程中，都可以借鉴零间隙磁路的优势，实现互容贯通，优势互补，成为一代系列新品，因为如果没有零间隙磁路的基础技术，就不可能将铁心与铁轭分别制造组合，要么铁心铁轭都是叠片型的结构，要么都是卷绕型结构，结构和品种单一，基本磁路的变化很少。只有在本发明中，才存在将二种不同大类的结构混合选配、优势互补的空间。

混合型方案之一 卷绕铁心+叠片铁轭

卷绕铁心具有机械化加工生产效率高，卷绕的工艺质量高于人为叠装的优点，而叠片铁轭具有最短的磁路路径，最高的材料利用率，两者相结合，将卷绕铁心和设计成凹形圆槽内带磁流过渡层的叠片铁轭结构结合构成混合型变压器，采用凹形圆槽内填充粘结固化剂带纳米磁粉的结构和工艺后，使铁心铁轭牢固结合，两者均可采用取向性磁材，是一种制造容易、结构优良的高效立体混合型三相变压器。

图20为“卷绕铁心+叠片铁轭”组成的立体混合型三相变压器磁体外形图。图中，上铁轭为弧形截面叠片型，下铁轭为矩形截面叠片型，铁心为卷绕型，上下铁轭开有总共6个凹形圆槽(31)，供3个铁心插入其中。

凹形圆槽(31)开得比较深比较大，采用由非取向性磁粉粉末冶金烧结或粘接材料制成的刚性钵形磁流过渡层，精加工以配合铁轭铁心组成零间隙磁路结构件。

安装时，将装配有夹板夹件绝缘板的下铁轭平放在变压器座台上，凹形圆槽朝上，先在凹形圆槽内和磁流过渡层外表面涂抹含磁粉的粘结固化剂，再将磁流过渡钵放入凹形圆槽内。

接着，将含磁粉的粘结固化剂灌入磁流过渡钵内，把铁心插入磁流过渡钵内，测量定位准确后任含磁粉的粘结固化剂溢流到钵外围并等待固化。

下面各步骤为：在铁心上安装绕组并固紧、与下铁轭类似方法安装上铁轭，夹紧、辅助件安装等。

为便于安装上铁轭，也可将已装入绕组的半成品变压器倒过来插入放在安装平台上的上铁轭中。

混合方案之二

由于叠片铁心按传统工艺结合零间隙磁路技术后，只需要裁剪成长度相等、宽度不同的一组裁片，单个铁心叠装也比较方便，比卷绕铁心的工艺成熟。相反地，卷绕铁轭的加工还是比较方便的，卷绕的铁轭工艺只相当于环形变压器铁芯的制作，也不存在环形变压器困难的绕线问题。所以，将两者结合，优势互补，组合成“叠片铁心+卷绕铁轭”的混合方案。

图21为“叠片铁心+卷绕铁轭”组成的立体混合型三相变压器磁体外形图。

图中，3个铁心(1)为由取向性叠片叠装固化而成。铁轭为取向性卷带绕制，上铁轭为弧形截面、外圆环形内侧三角形的卷绕铁轭，下轭为矩形截面、圆环形卷绕铁轭。

本方案中采用由较密集的非取向性磁粉粉末调制的柔性磁流过渡层。有两种方案，一种是采用以柔性有机材料作为载体，将密集高导磁磁粉参入其中，按凹形圆槽和铁心尺寸做成有形的柔性过渡体，垫充于槽内；另一方案是将密集高导磁磁粉均匀渗杂在粘结固化剂中的无形方案，粘结固化剂固化后形成导磁过渡层。在本方案中，铁心、铁轭和凹形圆槽都无须加工或精加工。

混合方案之三 上叠片铁轭+下卷绕铁轭+卷绕铁心

本方案是方案之一的变种，就是将该方案中的下铁轭换成卷绕铁轭。

卷绕铁轭一体卷绕制作，特别是具有增量导磁矩形截面铁轭，作为下铁轭具有稳固的基础，变压器刚度强度都较理想。而上铁轭采用磁路最短、磁损最少、磁材利用率最高的叠片型，也是一项轻量化的改进。

图22为“上叠片铁轭+下卷绕铁轭+卷绕铁心”立体混合型三相变压器磁体外形图。

根据以上所举实例可以发现又许许多多的不同部件组合方案所构成的立体混合型全对称三相变压器。不同方案各具特色，适用于不同场合，将很快进入产业化的产品制造领域。

对于特大型的变压器，例如用于大型水电站或核电站，更需要三相平衡的立体全对称的变压器。由于以前产品的工艺特点，往往使特大型变压器制造后难以运输到发电厂，所以常采用在现场建厂和组装大型设备的施工方法。由于本发明能将变压器分成5大块或9大块，制造成分体后，直接运输到现场，通过吊运设备在现场组装，排除了整体变压器运输的难题，所以在生产运输效率和经济性上，本发明的立体全对称的变压器，都将在生产和运输上获得更大的便利。

Claims (10)

1.一种主要由绕组、铁心和磁轭三大部分组成的立体三相变压器，其特征是，变压器为同时采用叠片和卷绕的全对称结构；铁心与铁轭分体制造且二者结合面为零间隙磁路。

2.根据权利要求1所述的立体三相变压器，其特征是，变压器的三个相同铁心呈三角形立体分布，相间铁轭等距离；铁心与铁轭中，既有叠片结构，也有卷绕结构；铁心与铁轭的磁结合平面采取特殊磁路结构和连接结构。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，叠片型铁轭由三块单元铁轭併合而成；有矩形截面或弧形截面的不同结构，弧面可以朝上安装，也可以朝下安装。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，卷绕铁轭分为纯圆形和外圆环形内侧三角形两种外形结构；以及矩形和弧形两种截面结构；可用于上轭和/或下轭的总共32种组合。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，每块铁轭上有三个带凹形圆槽(31)的结合面构造。

6.根据权利要求6所述的立体三相变压器，其特征是，铁轭凹形圆槽(31)内容纳有粘结固化胶和磁性颗粒。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，铁心铁轭结合面之间有磁流过渡层中间结构；该结构可以是刚性体或柔性体。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的三相立体变压器，其特征是，磁体为“卷绕铁心+叠片铁轭”组成的立体混合型。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的立体三相变压器，其特征是，磁体为“叠片铁心+卷绕铁轭”组成的立体混合型。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的三相立体变压器，其特征是，磁体为“上叠片铁轭+下卷绕铁轭+卷绕铁心”组成的立体混合型。