CN107025987A - 一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器和铁芯制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器和铁芯制作方法，配电变压器包括外壳、铁芯、至少两组铁芯紧固组件、一次绕组和二次绕组，外壳上固定设置有引线套管；铁基纳米晶铁芯为内部中空的柱状空腔结构；铁芯紧固组件包括分别夹设在铁基纳米晶铁芯的内表面和外表面的两个夹板，且两个夹板通过螺钉固定在外壳上。铁芯紧固组件均匀设置在铁基纳米晶铁芯上。与传统配电变压器相比，本发明中的配电变压器工作频率高、存储的能量密度大、功率密度大，较小的体积可以输出较大的功率，能够广泛应用于对尺寸有特殊要求以及高频场合，且本发明采用材质柔软的铁基纳米晶铁芯，使得配电变压器铁芯横截面形状设计更加灵活和多样化。

Description

一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器和铁芯制作方法

技术领域

本发明涉及变压器制备工艺技术领域，尤其涉及一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器和铁芯制作方法。

背景技术

配电变压器是配电系统中通过变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器，而铁芯是配电变压器中传递和变换电磁能量的主要部件，因此，铁芯的性能和结构对配电变压的性能有重要影响。

传统的配电变压器中，配电变压器的铁芯通常采用硅钢片铁芯，硅钢片铁芯一般包括铁芯柱和横片两部分，铁芯柱上套有绕组，横片用于闭合磁路。铁芯柱由许多硅钢片采用叠片式结构组成，即铁芯柱由不同宽度的条形硅钢片依次轧制而成，整体呈现类圆柱形。组成铁芯柱的硅钢片厚度一般为0.35-0.5mm，相邻硅钢片之间涂绝缘漆确保硅钢片之间互相绝缘。配电变压器铁芯柱的横截面也就是硅钢片的形状，通常设计为常规的回字形、字母C形或字母E形。

然而，传统的配电变压器中，由于配电变压器铁芯采用硅钢片铁芯，使配电变压器频率一般只能够达到50HZ。在一些高频工作的场合，由于硅钢片铁芯受自身磁通饱和度的限制，使得硅钢片铁芯的工作频率较低，从而导致配电变压器能量转换效率不够高，因此配电变压器的功率密度较小，工作效率较低，因此带硅钢片铁芯的配电变压器无法很好地满足高频工作场合的要求。而且，传统的配电变压器中，由于硅钢片材质坚硬，且硅钢片铁芯的制备方法比较单一，使得硅钢片的形状比较单一化，从而使得硅钢片铁芯柱的横截面形状也比较单一化。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器和铁芯制作方法。

一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，包括外壳、铁芯、用于固定铁芯的至少两组铁芯紧固组件、紧密绕制在铁芯外部的一次绕组和二次绕组，铁芯、一次绕组和二次绕组设置在外壳内，外壳上固定设置有引线套管；其中，铁芯设置为铁基纳米晶铁芯，铁基纳米晶铁芯为内部中空的柱状空腔结构；铁芯紧固组件包括两个夹板，两个夹板分别夹设在铁基纳米晶铁芯的内表面和外表面，且两个夹板通过螺钉固定在外壳上；至少两组铁芯紧固组件均匀设置在铁基纳米晶铁芯上。

可选地，铁基纳米晶铁芯由多层柱状空腔结构的铁基纳米晶薄带构成，且铁基纳米晶薄带之间热压连接。

可选地，铁基纳米晶铁芯由一层铁基纳米晶薄带构成，且铁基纳米晶薄带沿轴向卷绕多层，形成柱状空腔结构。

可选地，铁芯紧固组件设置为G10绝缘板。

可选地，螺钉设置为陶瓷螺钉。

可选地，铁基纳米晶薄带的厚度为27±2μm或33±2μm。

一种铁芯制作方法，包括：

确定铁芯的横截面形状和尺寸；根据铁芯的横截面形状和尺寸选择铁芯模具，利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯；在氮气保护下，对半成品铁芯进行热处理，热处理温度为823-843K，保温时间为80-100min；对热处理后的铁芯降温，获取铁基纳米晶铁芯。

可选地，利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯，包括：将多层铁基纳米晶薄带放入铁芯模具中，且相邻的铁基纳米晶薄带之间交错相叠设置；利用铁芯模具使铁基纳米晶薄带形成柱状空腔结构的半成品铁芯。

可选地，利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯，包括：将一层铁基纳米晶薄带放入铁芯模具中；利用铁芯模具使铁基纳米晶薄带轴向卷绕多次，形成柱状空腔结构的半成品铁芯。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，包括外壳、铁芯、用于固定铁芯的至少两组铁芯紧固组件、紧密绕制在铁芯外部的一次绕组和二次绕组，铁芯、一次绕组和二次绕组设置在外壳内，外壳上固定设置有引线套管；其中，铁芯设置为铁基纳米晶铁芯，铁基纳米晶铁芯为内部中空的柱状空腔结构；铁芯紧固组件包括两个夹板，两个夹板分别夹设在铁基纳米晶铁芯的内表面和外表面，且两个夹板通过螺钉固定在外壳上；至少两组铁芯紧固组件均匀设置在铁基纳米晶铁芯上。

本发明中的配电变压器采用铁基纳米晶铁芯来代替传统的硅钢片铁芯，由于铁基纳米晶材料的工作频率可达到500KHz，比传统硅钢片的工作频率提高10倍以上，因此本发明能够应用于高频率场合。与传统的配电变压器相比，由于本发明实施例中配电变压器的工作频率非常高，使得配电变压器存储的能量密度很高，从而能够大幅提高配电变压器的功率密度。由于本发明中配电变压器的功率密度较高，在获取相同输出功率的前提下，采用本发明能够将配电变压器的体积设计的更小，较小的体积使得本发明能够广泛应用于对配电变压器有尺寸要求的场合，可在正常工作时极大地减小配电变压器的运行损耗和温度。另外，本发明中的配电变压器采用铁基纳米晶铁芯，由于铁基纳米晶材质本身柔软度高，在铁芯成型制备过程中，通过热压工艺可以将铁芯横截面制作成各种不同的形状，铁芯横截面的形状更加灵活、多样化。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种铁芯制作方法的基本流程示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种铁芯制作方法的基本流程示意图；

图4为本发明实施例提供的第三种铁芯制作方法的基本流程示意图；

图1-图4中，符号表示：

1-铁基纳米晶铁芯、2-铁芯紧固组件、3-一次绕组、4-二次绕组、5-外壳、6-引线套管、7-螺钉。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

参见图1，图1是本发明实施例提供的一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器的结构示意图。由图1可知，本发明实施例中带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，主要包括外壳5、铁基纳米晶铁芯1、铁芯紧固组件2、一次绕组3、二次绕组4和引线套管6六部分。其中，铁芯紧固组件2均匀设置在铁基纳米晶铁芯1上，一次绕组3和二次绕组4紧密绕制在铁基纳米晶铁芯1的外部，铁基纳米晶铁芯1、一次绕组3和二次绕组4设置在外壳5内，引线套管6固定设置在外壳5上。

本发明实施例中的铁芯设置为铁基纳米晶铁芯1，铁基纳米晶材料的工作频率可以达到500kHz，从而使得铁基纳米晶铁芯1的工作频率比普通硅钢片铁芯的工作频率可以提高10倍以上，因此，本发明中带铁基纳米晶铁芯1的配电变压器不但能够应用于一般场合，还能够广泛应用于有高频率要求的特殊场合。另外，由于本发明实施例中配电变压器的工作频率非常高，使得配电变压器存储的能量密度很高，从而能够大幅提高配电变压器的功率密度，因此，在获取相同输出功率的前提下，采用本发明能够将配电变压器的体积设计的更小，较小的体积使得本发明能够广泛应用于对配电变压器有尺寸要求的场合，可在正常工作时极大地减小配电变压器的运行损耗和温度。

本发明实施例中铁基纳米晶铁芯1为内部中空的柱状空腔结构，柱状空腔结构的横截面可以根据实际需求设计为圆形、椭圆形或其他任意形状，因此，本发明中铁芯截面形状设计更加灵活，本发明实施例中仅以圆形横截面为例来阐述。

由图1可知，铁芯紧固组件2均匀设置在铁基纳米晶铁芯1上，用于固定铁基纳米晶铁芯1。为了确保铁芯紧固组件2对铁基纳米晶铁芯1的紧固作用，铁芯紧固组件2至少设置有两组，且所有铁芯紧固组件2之间均匀分布，铁芯紧固组件2的具体数量可以根据实际配电变压器中铁基纳米晶铁芯1的大小来确定。

从组成结构来看，铁芯紧固组件2包括两个夹板，两个夹板分别夹设在铁基纳米晶铁芯1的内表面和外表面，且两个夹板通过螺钉7固定在外壳5上。两个夹板的形状设置可以与铁基纳米晶铁芯1的内表面和外表面形状相匹配，从而使两个夹板分别与内、外表面紧密贴合；也可以设置为规则的长方形夹板，使两个夹板只有一部分与内、外表面紧密贴合，只要能够起到固定铁基纳米晶铁芯1的作用即可。本发明中两个夹板通过螺钉7固定在外壳5上，能够进一步加强铁芯紧固组件2对铁基纳米晶铁芯1的紧固作用。

继续参见图1，一次绕组3和二次绕组4紧密绕制在铁基纳米晶铁芯1的外部，一次绕组3和二次绕组4的中心线与铁基纳米晶铁芯1的中轴线垂直。具体的绕制方式方面可以设置为：一次绕组3和二次绕组4分别绕制在铁基纳米晶铁芯1的两侧，或者，一次绕组3和二次绕组4交错绕制在铁基纳米晶铁芯1上。

本发明实施例中铁基纳米晶铁芯1由铁基纳米晶薄带构成，铁基纳米晶薄带的成品呈卷状结构，长度可以根据需求任意裁切。本发明实施例中，由铁基纳米晶薄带构成柱状空腔结构的铁基纳米晶铁芯1可以有两种设计方式。

第一种设计方式为：铁基纳米晶铁芯1由多层柱状空腔结构的铁基纳米晶薄带构成，且铁基纳米晶薄带之间热压连接。具体地，多层铁基纳米晶薄带均设置为柱状空腔结构，各层铁基纳米晶薄带依次套设在最内层铁基纳米晶薄带的外部，多层铁基纳米晶薄带之间热压连接。热压连接能够使铁基纳米晶薄带之间紧密连接，有利于提高铁基纳米晶铁芯的稳定性。第二种设计方式为：铁基纳米晶铁芯1由一层铁基纳米晶薄带构成，且铁基纳米晶薄带沿轴向卷绕多层，形成柱状空腔结构。具体地，铁基纳米晶铁芯1可以由一层长度足够的铁基纳米晶薄带按照设定的截面形状沿轴向卷绕多层，形成柱状空腔结构，多层铁基纳米晶薄带之间热压连接。

本发明实施例中，铁基纳米晶薄带的厚度可以设置为27±2μm或33±2μm，该厚度设计，有利于提高铁基纳米晶材料的工作频率，从而确保铁基纳米晶铁芯1的工作频率达到较佳的效果。

本发明实施例中，铁芯紧固组件2设置为G10(Glass fiber，玻璃纤维含量为10％)绝缘板。G10绝缘板相当于配电变压器中的骨架，起到夹紧和固定铁芯的作用。另外，由于G10绝缘板的导电性能非常差，在配电变压器应用于高频场合时，能够提高配电变压器的转换效率、减小不必要的损耗，从而确保配电变压器的工作频率达到数十kHz到MHz之间，有利于提高配电变压器的工作频率和工作效率。

本发明实施例中的螺钉7设置为陶瓷螺钉，能够减小杂散损耗和附加损耗，有利于提高配电变压器的工作频率和工作效率。

参见图2，图2为本发明实施例提供的一种铁芯制作方法的基本流程示意图。由图2可知，本发明中铁芯制作方法具体包括如下步骤：

步骤S101：确定铁芯的横截面形状和尺寸。

具体地，铁芯截面形状可以根据实际需求设计为圆形、椭圆形或其他任意形状，因此，本发明中铁芯截面形状设计更加灵活和多样化。

步骤S102：根据铁芯的横截面形状和尺寸选择铁芯模具，利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯。

由于铁基纳米晶薄带成品呈卷状，长度根据需求具体裁定，所以，在利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯时，可以将多层长度相同的铁基纳米晶薄带叠加后制作成柱状空腔结构的半成品铁芯，也可以将单层铁基纳米晶铁芯多次卷绕制作成柱状空腔结构的半成品铁芯。具体地，本发明提供以下两种方法。

在上述图2所示的实施例的基础之上参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种铁芯制作方法的基本流程示意图。由图3可知，本发明中利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯的第一种实现方法具体包括如下步骤：

步骤S1021：将多层铁基纳米晶薄带放入铁芯模具中，且相邻的铁基纳米晶薄带之间交错相叠设置；

步骤S1022：利用铁芯模具使铁基纳米晶薄带形成柱状空腔结构的半成品铁芯。

该实施例未详细描述的部分可参照图2所示的实施例，两者之间可以互相参照，在此不再详细阐述。

在上述图2所示的实施例的基础之上参见图4，图4为本发明实施例提供的第三种铁芯制作方法的基本流程示意图。由图4可知，本发明中利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯的第二种实现方法具体包括如下步骤：

步骤S1023：将一层铁基纳米晶薄带放入铁芯模具中；

步骤S1024：利用铁芯模具使铁基纳米晶薄带轴向卷绕多次，形成柱状空腔结构的半成品铁芯。

该实施例未详细描述的部分可参照图2所示的实施例，两者之间可以互相参照，在此不再详细阐述。

步骤S103：在氮气保护下，对半成品铁芯进行热处理，热处理温度为823-843K，保温时间为80-100min。

在步骤S102中，利用铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成步骤S101中所确定截面形状和尺寸的铁芯，因此，此时的铁芯仍然为材质柔软的半成品铁芯，需要后续工艺处理后方可使用。具体地，本发明中需要对对半成品铁芯进行热处理工艺，热处理温度为823-843K，保温时间为80-100min的工艺条件，能够保证半成品铁芯中的铁基纳米晶薄带之间在高温下连接紧密、一次成型。氮气具有很强的惰性，能够隔绝空气、防止氧化，从而更好地促进热处理工艺的顺利进行。

步骤S104：对热处理后的铁芯降温，获取铁基纳米晶铁芯。

铁基纳米晶材料具有高饱和磁通密度、高电阻率和低损耗的优点，是制作铁芯的优选材料。由于铁基纳米晶薄带是薄带状，其柔软度太高，不能直接作为铁芯使用，而是需要通过一定工艺的加工整合，制作成各种不同截面形状和尺寸的铁芯。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，其特征在于，包括外壳(5)、铁芯、用于固定所述铁芯的至少两组铁芯紧固组件(2)、紧密绕制在所述铁芯外部的一次绕组(3)和二次绕组(4)，所述铁芯、一次绕组(3)和二次绕组(4)设置在所述外壳(5)内，所述外壳(5)上固定设置有引线套管(6)；其中，

所述铁芯设置为铁基纳米晶铁芯(1)，所述铁基纳米晶铁芯(1)为内部中空的柱状空腔结构；

所述铁芯紧固组件(2)包括两个夹板，所述两个夹板分别夹设在所述铁基纳米晶铁芯(1)的内表面和外表面，且所述两个夹板通过螺钉(7)固定在外壳(5)上；

所述至少两组铁芯紧固组件(2)均匀设置在所述铁基纳米晶铁芯(1)上。

2.根据权利要求1所述的带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，其特征在于，所述铁基纳米晶铁芯(1)由多层柱状空腔结构的铁基纳米晶薄带构成，且所述铁基纳米晶薄带之间热压连接。

3.根据权利要求1所述的带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，其特征在于，所述铁基纳米晶铁芯(1)由一层铁基纳米晶薄带构成，且所述铁基纳米晶薄带沿轴向卷绕多层，形成所述柱状空腔结构。

4.根据权利要求1所述的带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，其特征在于，所述铁芯紧固组件(2)设置为G10绝缘板。

5.根据权利要求1所述的带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，其特征在于，所述螺钉(7)设置为陶瓷螺钉。

6.根据权利要求2所述的带铁基纳米晶铁芯的配电变压器，其特征在于，所述铁基纳米晶薄带的厚度为27±2μm或33±2μm。

7.一种铁芯制作方法，其特征在于，所述方法包括：

确定铁芯的横截面形状和尺寸；

根据所述铁芯的横截面形状和尺寸选择铁芯模具，利用所述铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯；

在氮气保护下，对所述半成品铁芯进行热处理，热处理温度为823-843K，保温时间为80-100min；

对热处理后的铁芯降温，获取铁基纳米晶铁芯。

8.根据权利要求7所述的铁芯制作方法，其特征在于，所述利用所述铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯，包括：

将多层铁基纳米晶薄带放入所述铁芯模具中，且相邻的铁基纳米晶薄带之间交错相叠设置；

利用所述铁芯模具使所述铁基纳米晶薄带形成柱状空腔结构的半成品铁芯。

9.根据权利要求7所述的铁芯制作方法，其特征在于，所述利用所述铁芯模具将铁基纳米晶薄带制作成柱状空腔结构的半成品铁芯，包括：

将一层铁基纳米晶薄带放入所述铁芯模具中；

利用所述铁芯模具使所述铁基纳米晶薄带轴向卷绕多次，形成柱状空腔结构的半成品铁芯。