CN105990004B - 立体叠片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，其中采用铁心和铁轭分别叠装制造的零间隙磁路技术，以获得最低铁损和最低工时制造成本，发明透露了以该技术作为基础结构，从而构成的各种叠片型铁心、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，使技术能很快进入产业领域。

Description

立体叠片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，主要涉及变压器的磁路结构和制造工艺，具体地说，是创建一种立体磁路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，通过电能和磁能的相互转化以实现电压变换。

在现有的三相变压器中大多仍为平面型结构，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。

为提高变压器磁路的对称性，曾有高成本的五柱结构平面型三相变压器，对称性有所提高。

为达到三相平衡，已出现平面结构的三相变压器改进为立体叠片型铁心结构，解决了磁路结构的先天不对称，这就是立体R型变压器，但立体R变的硅钢片利用率低，绕线不方便，制作成本也很高。

近来，也曾出现一些立体叠片的三相变压器，但这些叠片型变压器的结构制造叠装比平面型更困难，存在工时效率低、成本高的问题，仍旧需要依靠精确的叠装工艺保证质量，降低磁损，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，必须采取新思路、新结构加以根本性的解决。

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，由现有工艺比较成熟的传统叠片结构入手，解决磁路不对称问题，同时简化立体型变压器结构，降低制造成本，提高效率、实现变压器结构和工艺的全对称改造。

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，所作的开创性发明探索。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，对立体叠片型三相变压器结构和工艺所作的对称性改造的探索。

本发明的目的是，采用零间隙磁路叠片结构，并能在磁路结构上形成对称平衡条件的新结构，新结构具有制造容易、成本低廉，且节能环保的特点。

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三相变压器，其特征是，变压器为立体全对称型；磁路为叠片型结构；铁心与铁轭分体叠装制造且二者结合面为零间隙磁路结构。

本发明的技术效果是明显的，首先，零间隙磁路结构减少了叠片空气隙数量，降低了磁阻，达到节能效果，且使变压器叠装工艺相对简单，省时省力；其次，变压器立体全对称结构又解决了磁路不对称造成的电气相间不平衡的问题；此外，新结构比卷铁心的立体R型变压器制造容易，节省材料和工时，仍可借助于现有变压器产业中相对成熟的叠片工艺。

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型三相变压器分体磁路图。

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型铁芯单元外形图。

图8、本发明的立体叠片型变压器的铁心视图。

图9、本发明的立体叠片型变压器的矩形截面铁轭视图。

图10、本发明的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、本发明的带有凹形圆槽铁轭的局部纵剖图。

图13、带有凹形圆槽铁轭的铁心局部横剖图。

图14、铁轭组装示意图。

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，有必要另作定义。

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，相当于本中的铁心(1)。

轭部：也称磁轭，指变压器中使心部完成磁链的器件，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，和质量上不能确保控制精度的二大弊端，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，其实质上是将裁片和叠装过程中无法控制的磁路间隙，向磁路结合面精密加工的转化，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芯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，一般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，片型简单划一，易于制作和叠装，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多种宽度不同的裁片叠制，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，涉及铁芯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和工作进度，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芯三相变压器磁路分析图。图中，在三个铁心(1)中套入绕组(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中最简单的铁芯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，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，且其流经的磁路长度也比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磁阻是不相等的，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块一起叠装就容易得多。其次，其铁心和铁轭结合面经过精加工、实现零间隙，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。

从对称性上比较，零间隙磁路平面型铁心每个柱流到它柱都是相等的4个间隙，对称性上比传统变压器优越，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，平衡性较好。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。本发明所要披露的，是零间隙磁路又是怎样产生一条通向全对称的捷径。为了更好引入这条捷径，先以卷绕式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。图中所看到的实体部分为铁轭，虚线部分是铁轭下面所遮盖的铁心。

图5为现有传统立体R型三相变压器分体磁路图。也就是说，立体R型三相变压器的磁路是由三块R型铁心单元併合而成。

平面型的R型变压器(即单相变压器)磁路，相当于一个圆截面的方框形对称结构，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，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截面很不简单，是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。其单元铁心是一个立体不对称几何截面结构的图形，两边的垂直部分是两个半圆截面的铁心，半圆截面不在同一平面内，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，是很难设计和制作的。

图6为现有传统立体R型铁芯绕制方向图。绕制按垂直于铁轭水平线的垂直方向设计，最内端为a，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，右半部为铁心截面图。

图7为卷绕完工的立体R型铁芯单元外形图。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，采用与其结构形状相同的叠片结构来实现同一立体全对称目标，这个立体叠片型磁路新结构的共同特征包括：

1、变压器的三个铁心呈三角形立体分布，相间铁轭等距离；

2、磁路为全对称型，各相和相间磁路结构相同；

3、铁心与铁轭均为叠片结构；

4、铁心与铁轭作为相互独立的部件，分体制造、叠装；

5、铁心与铁轭的磁结合面采取精加工，装配后形成零间隙磁路结构。

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三相变压器。

图8为本发明的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，依照圆形的外形形状叠制，采用水平叠装方式叠装。对于尺寸较小、挠度较高的裁片，甚至可以采用模板垂直叠装。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和铁轭整体叠装容易得多。

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，也就是说，其特征是，每个铁轭由3块铁轭单元併接而成。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圆弧面，以防止漏磁向空间发散，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。当然也可以在一边对齐刚好形成半圆形，加工就可以仅在另一边进行，省掉50％加工量。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，相当于铁心截面积的一半或略多。

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位置中的弦长是不等的，假设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和b1最短而b4最长。假定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中矩形等截面铁轭结构中的包括b1到b11所有铁轭叠片的宽度是相同的，磁阻相同，不同的磁流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，当然层间磁流转移会产生额外的磁损。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位置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，所以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，可以适当放大铁轭截面积。

图11所示为铁心叠片与铁轭叠片方向关系图。

为使每片铁心叠片中的磁流均衡流入相邻二块铁轭叠片中，铁心与铁轭叠片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：铁心叠片层面与任两相间铁轭叠片层面保持60°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为零间隙磁路结构，三块铁轭保持低磁阻连接，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该相的铁心。

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产业工艺基础上，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。

传统的平面型叠片三相叠片相互镶嵌，整体固紧力较强。而零间隙磁路结构的紧固力有所欠缺，所以，本发明变压器的刚度尤其需要靠紧固结构的拉紧螺栓加强。

另一种加强变压器牢固度的方法，是与增加结合面磁导的方法相结合的、采用带有凹形圆槽的铁轭。

图12为带有凹形圆槽铁轭的局部结构纵剖图。在经过固化处理的铁轭上，在每个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(30)，槽的直径略大于铁心，相当于一个平面圆坑，坑底为铁心和铁轭的结合平面，并作精加工。圆槽(30)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(即铁轭裁片宽度的1％)即已足够，所以对铁轭导磁性能影响甚微。但这样一种沉入结构，通过粘接固化剂的粘着，更容易牢固地将铁心固定在铁轭上，填充在槽内的粘接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，现在只要对三铁心圆位置上的局部小面积内的铁轭作精加工处理即可，加工量将显著减少。

图13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，容纳在槽内的粘接固化胶和磁性颗粒，不易溢出，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。

变压器铁心是经过绑扎、紧固和固化，经过与铁轭接触面的精加工和退火处理，然后套入绕组，成为铁心绕组整体紧固的结构。安装时也可将铁心先安装在下铁轭上，然后再套入绕组。

图14所示为铁轭组装结构示意图。

铁轭分为上铁轭和下铁轭，都各由三块相间铁轭构成。图14中已将两块铁轭固定安装在夹件上。

与传统变压器相似，本发明的立体变压器，也需要采用夹件和螺栓夹紧。以上铁轭为例，三块上铁轭由上侧夹件在安装平台上定位，上侧夹件分别由内侧夹件(32)和外侧夹件(31)组成，内侧夹件为一六面体角铁结构，垂直臂上有若干孔以便穿越内外夹螺栓，内侧夹件外垫上夹件绝缘板(33)，上铁轭外覆盖更长的夹件绝缘板(33)，绝缘板(33)外端安装外侧夹件，外侧夹件可以采用角铁，也可采用槽钢。内外夹件垂直面上的孔，供夹紧螺栓穿越紧固，使三块上铁轭连接成为上铁轭总成，夹紧螺栓如图中的对称线位置所示。外侧夹件(31)的水平面上有若干个孔(311)，供连接上下铁轭的拉紧螺栓穿越。螺栓与铁轭、夹件间需作磁和电的隔离。

由于叠片型铁轭是由三个单体所组成，必须将这些单体结合为上轭或下轭总成后，才能开凹形圆槽(30)。

下铁轭的组装方式与上铁轭基本相同，唯一不同的是，下铁轭内外夹件间的螺栓可能需要在铁轭片中穿越，所以铁轭叠片需要事先开孔。或者铁轭叠片不开孔，螺栓孔开在底座中。

为了增加变压器的牢固性，可以在总装前，对铁心和铁轭的结合面先涂一薄层强力粘接固化剂，那么在安装结束，粘接固化剂固化后，在紧固件和固化剂的共同作用下，变压器结构得到加强。采用纳米材料的粘接固化剂，性能效果更好。粘接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强度。加粘接固化剂有利于提高变压器的结合强度，也有利于降低变压器噪声。

三块铁轭间也可采用强力粘接固化剂和磁粉混合材料填缝，一来增加整体刚度强度，二来减少铁心磁力线在铁轭臂间流通的磁阻。

在上下铁轭夹件间也采用紧固螺栓栓紧。

经过叠装和加工过程，有可能改变叠片中的磁畴结构，增加磁阻和磁损，因此可以根据需要在总装前对铁轭总成作退火处理。

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，仍会留下一定的不平整间隙，除非用成本很高的超精密加工，仍然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细小，只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。

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，达到节能的目的。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，就很容易制造出立体全对称的叠片型三相变压器，正如本发明所介绍的，都不再存在任何工艺难题或操作难度。

为了提高变压器的效率，磁体所使用的硅钢片，不论是铁心和铁轭，应尽可能采用磁损耗较小的取向性软磁材料，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。其原则是，从图中看，在铁心中，磁流是垂直方向流动的，而在铁轭中，磁流是水平方向流动的。

所以，如果本发明的铁心和铁轭都采用取向性材料时，在磁流转向时，会产生较大的晶间流动转向损耗。在平面型变压器中，可采用斜接缝，但零间隙磁路中不易采用斜接缝，为此，本发明的铁心或铁轭，两者中应择一采用非取向磁材。

另一个解决转向损耗的办法是在铁心与铁轭间加有一层磁流过渡层。如果在铁心与铁轭间增加一层由高导磁的纳米粉剂组成的磁流过渡层，由于磁流过渡层为非取向磁材，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向铁轭延伸，使磁流更容易多角度渗透进铁轭，减小磁流转向损耗。适当扩大的凹形圆槽铁轭，很适合安装磁流过渡层，另外磁流过渡层也有利于半个铁心圆心部分中的磁流向另半个圆心铁轭的转移。所以采用磁流过渡层后，铁心和铁轭就都可以采用取向性磁材。

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。

对于特大型的变压器，例如用于水电站或核电站的特大型变压器，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，往往使体积重量特别大的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磁体分成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。

本发明变压器的磁体制造工艺方法如下：

1、铁心制造

本发明叠片型铁心制造与通常变压器的裁片、去毛、叠装的工艺基本相同，不同的是，原来是三个芯柱和铁轭一起叠装，必须采用水平叠装，而现在是三个独立的铁心柱可以分别叠装，而且可以采用垂直叠装的工艺，叠装的难度大大降低。

2、绕组制造

工艺过程与现有传统工艺相同，不作说明。

3、铁轭制造

通过剪裁机得到几种不同尺寸的铁轭裁片，对矩形截面铁轭，铁轭裁片为同一宽度但不同长度的一组硅钢片，可叠成矩形截面的铁轭；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。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。本发明的叠装则可能采用垂直叠装，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，框的尺度稍大于裁片宽度，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。

以上铁轭为例，先将铁轭块绑扎、固紧待安装，经过适当加工处理完毕，三块铁轭由上侧夹件在部件安装平台上定位，上侧夹件分别由内侧夹件(32)和外侧夹件(31)组成，在六角形内侧夹件外围对称安放三块夹件绝缘板(33)，在夹件绝缘板外围安放三块上铁轭；在三块上铁轭外围安放更长的三块夹件绝缘板(33)，绝缘板外围安放外侧夹件。各部件排列整齐、测量定位后，在内、外夹件间用夹紧螺栓紧固成为上铁轭总成。

采用相同工艺方法制作下铁轭总成。

在铁轭间灌注带磁粉粘接固化剂。

最后，裁片紧密叠合成为一个两头为半圆形的立体等边三角形体。

4、磁体结合面加工处理

零间隙磁路的特点，归纳起来就是，以磁路中的铁心和铁轭分别叠装代替传统工艺的共同叠装，将可控的结合面精加工代替磁路间隙不可控的精密叠装，所以铁心和铁轭的结合面精加工必须按照相应的平面尺寸精度和工艺要求，还有凹形圆槽的加工，都是本发明的特征性工艺，必须按照工艺规定严格执行。

经过加工磨平后的铁心和铁轭接合面，必须对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加工面金属上，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。

5、磁体退火

经过裁片、叠装和加工的铁心铁轭，所受加工应力可能破坏磁畴晶粒结构，导致磁体磁损增加，为恢复比较理想的晶粒结构，需要对磁体作退火处理。

6、变压器总装

各部件加工、测量完成后，即可进行变压器总装。

总装在变压器总装平台上进行。

将下铁轭总成平放在变压器底座上，下铁轭与铁心的结合面朝上，在加工后的接触平面或凹形圆槽内加注带磁粉的粘接固化剂；

将铁心等距离三角定位后，逐个安放在下铁轭结合面上；

待粘接固化剂凝固后，将绕组装入铁心中并定位加固；

在铁心上部结合面和铁轭结合面各涂覆粘接固化剂，将上铁轭总成的结合面朝下盖在三个已装入绕组的铁心上，最后作安装检查、尺寸测量。

7、变压器固紧

通过上下铁轭外侧夹件(31)上的小孔(311)，连接上下铁轭的拉紧螺栓，螺栓与铁轭、夹件间需作磁和电的隔离。

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，经过粘接固化剂和紧固螺栓拉紧，变压器整体达到紧密牢固连接，也实现了零间隙磁路设计要求。

8、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。

Claims (9)

1.一种主要由绕组、铁心和铁轭三大部件组成的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，

1)、变压器的三个铁心呈三角形立体分布，相间铁轭等距离，磁路为全对称型，各相和相间磁路结构相同；

2)、铁心由长度相同、宽度不等的一组裁片分体叠装而成的圆截面柱体，柱两端平面加工磨平；

3)、铁轭部分，先由平直裁片叠合成平面铁轭单元，再由3块铁轭单元拼接而成每个铁轭，在每块铁轭的三角形圆弧顶端处开挖三个带底部为平面的凹形圆槽的结合面构造；

4)、铁心与铁轭均为叠片结构，均由平直裁片叠成，如铁心与铁轭都采用取向性磁材，在铁心与铁轭间加有一层磁流过渡层，磁流过渡层安装在凹形圆槽内，铁心与铁轭作为相互独立的部件，分体制造、叠装；

5)、铁心与铁轭的磁结合面采取精加工，装配后形成水平面零间隙磁路的特有连接结构。

2.根据权利要求1所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，每个铁轭由3块铁轭单元组成，铁轭单元结合处经切削加工去除多余部分成为半圆形，分级越多，所叠成的半圆越精确，也可以不需要再加工切割。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，变压器的每个铁轭的形状尺寸完全相同，其两端各覆盖半个铁心结合面。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，铁轭为矩形截面或弧形截面，矩形截面结构的铁轭中，每片轭叠片的宽度相等而长度不同；弧形截面结构中，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位置叠片在半圆中的弧长。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，铁心叠片层面与任一相间铁轭叠片层面保持60°角。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，铁轭单元结合为上轭或下轭总成，三块铁轭单元间也可采用强力粘接固化剂和磁粉混合材料填缝，一来增加整体刚度强度，二来减少铁心磁力线在铁轭臂间流通的磁阻；凹形圆槽是在与铁心相接触的铁轭部分，挖出的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；凹形圆槽具有防止铁心水平移动，以及加固磁体结构强度刚度的作用。

7.根据权利要求6所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器，其特征是，凹形圆槽内填充有粘接固化胶和磁性颗粒；磁性颗粒可以是普通粉料或纳米磁粉；圆槽型小池能容纳槽内的粘结固化胶和磁性颗粒，不易溢出；三块铁轭间也可采用强力粘接固化剂和磁粉混合材料填缝，一来增加整体刚度强度，二来减少铁心磁力线在铁轭臂间流通的磁阻。

8.一种根据权利要求1所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器的制造方法，其特征是，铁心与铁轭均为叠片结构，均由平直裁片叠制，铁心与铁轭作为相互独立的部件，分体制造、叠装；铁心与铁轭的磁结合面采取精加工，装配后形成水平面零间隙磁路结构；制造过程包括铁心制造、绕组制造、铁轭制造、磁体结合面加工处理、磁体退火、变压器总装、变压器固紧和其它附件安装诸步骤。

9.根据权利要求8所述的立体叠片型零间隙磁路三相变压器的制造方法，其特征是，铁轭和/或铁心采用垂直叠装。

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