CN112259339A - 一种变压器、变压器铁芯及变压器铁芯的制造方法、装置 - Google Patents

一种变压器、变压器铁芯及变压器铁芯的制造方法、装置 Download PDF

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CN112259339A CN202011251532.4A CN202011251532A CN112259339A CN 112259339 A CN112259339 A CN 112259339A CN 202011251532 A CN202011251532 A CN 202011251532A CN 112259339 A CN112259339 A CN 112259339A
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Abstract

本发明公开了一种变压器、变压器铁芯及变压器铁芯的制造方法、装置，其由三个铁芯单元组合而成，每个所述铁芯单元由多个铁芯层叠合而成，每个所述铁芯层由两个铁轭铁片和两个铁柱铁片围合而成，所述铁轭铁片沿其长度方向弯折120゜，且弯折部为圆弧形；对于所述铁芯单元中任意两个相邻的铁轭铁片，R1＝R2+d；其中R1为相邻的两个铁轭铁片中靠外侧的铁轭铁片的弯折部的圆弧半径，R2为相邻的两个铁轭铁片中靠内侧的铁轭铁片的弯折部的圆弧半径，d为铁轭铁片的厚度。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明变压器铁芯的铁轭铁片之间不存在间隙，不易产生漏磁。

Description

一种变压器、变压器铁芯及变压器铁芯的制造方法、装置
技术领域
本发明涉及三相变压器领域，具体涉及一种变压器、变压器铁芯及变压器铁芯的制造方法、装置。
背景技术
变压器的铁芯是变压器中主要的磁路部分，铁芯的磁路非常小，通过铁芯能够得到很强的感应磁场，铁芯是与绕在上面的线圈组成完整的电磁感应系统。铁芯包括套线圈的铁芯柱以及不套线圈只起闭合磁路作用的铁轭，其中铁芯柱是由多个铁芯柱铁片叠置构成，铁轭由多个铁轭铁片叠置构成，从而构成空心的铁芯结构，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组为初级线圈，其余的绕组为次级线圈。
三相变压器由三个单相变压器演变而成，每相的主磁通必须通过另外两相的磁路方能闭合，故三相磁路彼此相关。一般三相变压器的铁芯呈平面结构形式，三相的磁路长度不等，中间一相的磁路短，其余两相的磁路长，导致三相磁阻稍有差别。当外施三相对称电压时，三相空载电流就会不相等，磁路长短不相同，磁路方向也不相同，而中间一相的电流小，另外两相大，从而对变压器的负载运行有影响，造成一部分损失。为了克服上述缺陷，公开号为CN110459385A的中国发明专利公开了一种变压器及其铁芯，该专利将铁轭改造成了“Y”型结构，“Y”型结构的各条边分别由多个折弯的铁轭铁片并排叠合而构成，从而解决磁路对称的问题。其缺点在于：所有铁轭铁片弯折部的圆弧半径均一致(如图1所示，所有铁轭铁片弯折部的圆弧半径都为R)，导致铁轭铁片之间存在间隙，使得变压器产生噪音，且容易导致漏磁。
发明内容
为解决背景技术中现有变压器铁芯的铁轭铁片之间存在间隙，使得变压器产生噪音，且容易导致漏磁的问题，本发明提供了一种变压器、变压器铁芯及变压器铁芯的制造方法、装置，具体技术方案如下。
一种变压器铁芯，其由三个铁芯单元组合而成，每个所述铁芯单元由多个铁芯层叠合而成，每个所述铁芯层由两个铁轭铁片和两个铁柱铁片围合而成，所述铁轭铁片沿其长度方向弯折120゜，且弯折部为圆弧形；对于所述铁芯单元中任意两个相邻的铁轭铁片，R1＝R2+d；其中R1为相邻的两个铁轭铁片中靠外侧的铁轭铁片的弯折部的圆弧半径，R2为相邻的两个铁轭铁片中靠内侧的铁轭铁片的弯折部的圆弧半径，d为铁轭铁片的厚度。
由此，在同一铁芯单元中，同边(上或下)的所有铁轭铁片的弯折部同圆心。铁轭铁片之间紧密贴合，不存在间隙，变压器产生的噪音减小，且不易漏磁。
优选地，每个所述铁芯单元中，奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜；或
奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜。
现有变压器中，铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为45°，所有连接缝所形成的截面正好与磁路方向成90°，漏磁成一个面，采用45°连接截面积最大磁通密度最小，但漏磁面积与磁密度的乘积并没有发生变化，漏磁成一个面并没减少漏磁。由于截面的尺寸远远大于铁轭铁片的厚度，因此拐弯处的磁路夹角圆弧可忽略不计。在0°至45°之间，45°与90°之间重新选角度连接来错开45°，本发明采用30°连接，相邻采用60°连接，来减少连接间隙漏磁。另一方面，铁轭和铁芯柱之间不会形成一个整齐的切面，奇数层铁芯层与偶数层铁芯层之间相互交错搭接，连接稳定性显著提高，铁轭和铁芯柱之间不易产生间隙。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种变压器，包括变压器铁芯和线圈，所述变压器铁芯为上述变压器铁芯。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种变压器铁芯的制造装置，包括V型槽和V型凸起；所述V型槽的两个侧壁之间的夹角为120゜，槽底设有第一圆弧部，所述第一圆弧部的圆弧半径为R3，所述V型凸起的两个侧壁之间的夹角为120゜，底部设有第二圆弧部，所述第二圆弧部的圆弧半径为R4，且
Figure BDA0002771749030000031
其中，d为铁轭铁片的厚度，n为一个铁芯单元中铁轭铁片的数量。
R3大于或等于120mm，可根据铁轭铁片的厚度d进行适当调整。由此，铁轭铁片之间紧密贴合，不存在间隙，不易漏磁。
优选地，所述V型槽的顶部和底部分别设有第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构与所述第二限位结构之间的距离等于所述铁芯单元的高度。
优选地，所述第一限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的顶部的两个上挡板，所述第二限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的底部的两个下挡板。
基于相同的发明构思，一种变压器铁芯的制造方法，包括如下步骤：
S1、将两片铁轭铁片分别放置在V型槽的顶部和底部；
S2、将两片铁柱铁片分别紧靠所述两片铁轭铁片的左侧和右侧放置，围合成一层铁芯层；
S3、将两片铁轭铁片分别放置在上一铁芯层的顶部和底部，然后重复步骤S2；
S4、重复步骤S3直至将所有铁芯层叠合成一个铁芯单元；
S5、将V型凸起与V型槽对齐，对铁芯单元进行挤压固定；
S6、对铁芯单元进行时效处理；
S7、对铁芯单元进行固化处理；
所述V型槽的两个侧壁之间的夹角为120゜，槽底设有第一圆弧部，所述第一圆弧部的圆弧半径为R3，所述V型凸起的两个侧壁之间的夹角为120゜，底部设有第二圆弧部，所述第二圆弧部的圆弧半径为R4，且
Figure BDA0002771749030000041
其中，d为铁轭铁片的厚度，n为一个铁芯单元中铁轭铁片的数量。
R3大于或等于120mm，可根据铁轭铁片的厚度d进行适当调整。由于R3很大，铁轭铁片在叠上去后在自身重量作用下自然弯曲成形，即使没完全成形也没有关系，随着弯角度减少，铁轭铁片两端在从180°至120°的变化过程中，相邻两片之间会产生位移，位移为2dtan30°＝1.15d,d为铁轭铁片的厚度，换而言之，在铁轭铁片弯曲的过程中，铁轭铁片与铁柱铁片会越来越紧。
优选地，在放置两片铁轭铁片时，被放置在顶部的铁轭铁片与第一限位结构相抵，被放置在底部的铁轭铁片与第二限位结构相抵；所述V型槽顶部和底部分别设有第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构与所述第二限位结构之间的距离等于所述铁芯单元的高度。
优选地，步骤S1-S4中：
奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜；或
奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜。
现有变压器中，铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为45°，所有连接缝所形成的截面正好与磁路方向成90°，漏磁成一个面，采用45°连接截面积最大磁通密度最小，但漏磁面积与磁密度的乘积并没有发生变化，漏磁成一个面并没减少漏磁。由于截面的尺寸远远大于铁轭铁片的厚度，因此拐弯处的磁路夹角圆弧可忽略不计。在0°至45°之间，45°与90°之间重新选角度连接来错开45°，本发明采用30°连接，相邻采用60°连接，来减少连接间隙漏磁。另一方面，铁轭和铁芯柱之间不会形成一个整齐的切面，奇数层铁芯层与偶数层铁芯层之间相互交错搭接，连接稳定性显著提高，铁轭和铁芯柱之间不易产生间隙。
优选地，所述第一限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的顶部的两个上挡板，所述第二限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的底部的两个下挡板。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明变压器铁芯的铁轭铁片之间不存在间隙，不易产生漏磁。
附图说明
图1为现有技术中单个铁芯单元的侧视图；
图2为本发明中单个铁芯单元的侧视图；
图3为本发明变压器铁芯的结构示意图；
图4为本发明奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片的连接关系示意图；
图5为本发明偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片的连接关系示意图；
图6为本发明实施例2中变压器铁芯的制造装置的结构示意图；
图7为图6的俯视图；
图8为利用制造装置对铁芯单元进行叠片操作时的状态示意图；
图9为现有技术中一字型变压器铁芯的正视图；
图10为图9的俯视图；
图11为沿A-A和B-B线将图9中的变压器铁芯切开后的正视图；
图12为图11的俯视图；
图13为将切开后的变压器铁芯重组成星形变压器铁芯的立体示意图；
图14为图13的正视图；
图15为图14的俯视图；
图16为星形变压器铁芯的立体示意图；
图17为两个体积为Vb的块的示意图；
图18为铁轭与铁柱交界处的磁路方向示意图；
图19为本发明变压器铁芯装配有紧固件时的状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图3所示，一种变压器铁芯，其由三个铁芯单元1组合而成，每个所述铁芯单元1由多个铁芯层11叠合而成。如图4所示，每个所述铁芯层11由上下两个铁轭铁片12和左右两个铁柱铁片13围合而成。如图2所示，所述铁轭铁片12沿其长度方向弯折120゜，且弯折部121为圆弧形；同一铁芯单元1中任意两个相邻的铁轭铁片12有以下关系：R1＝R2+d；其中R1为相邻的两个铁轭铁片12中靠外侧的铁轭铁片12的弯折部121的圆弧半径，R2为相邻的两个铁轭铁片12中靠内侧的铁轭铁片12的弯折部121的圆弧半径，d为铁轭铁片12的厚度。在同一铁芯单元中，同边(上或下)的所有铁轭铁片12的弯折部121同圆心。具体地，R1可以是外侧铁轭铁片弯折部的内圆弧半径，此时R2则为内侧铁轭铁片弯折部的内圆弧半径；R1也可以是外侧铁轭铁片弯折部的外圆弧半径，此时R2则为内侧铁轭铁片弯折部的外圆弧半径。最外侧铁轭铁片弯折部的外圆弧半径大于或等于120mm。
如图3-5所示，每个所述铁芯单元1中，奇数层铁芯层中铁轭铁片12与铁柱铁片13之间的连接缝与铁柱铁片13长度方向之间的夹角为60゜(如图4所示)，偶数层铁芯层中铁轭铁片12与铁柱铁片13之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜(如图5所示)。当然也可以奇偶互换，即奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜。
现有变压器中，铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为45°，所有连接缝所形成的截面正好与磁路方向成90°，漏磁成一个面，采用45°连接截面积最大磁通密度最小，但漏磁面积与磁密度的乘积并没有发生变化，漏磁成一个面并没减少漏磁。由于截面的尺寸远远大于铁轭铁片的厚度，因此拐弯处的磁路夹角圆弧可忽略不计(如图18所示)。在0°至45°之间，45°与90°之间重新选角度连接来错开45°，本发明采用30°连接，相邻采用60°连接，来减少连接间隙漏磁。
本发明变压器铁芯与传统三项一字型变压器铁芯相比，具有如下优点。
如图9和图10所示，传统三项一字型变压器铁芯由三个铁柱和铁轭连成一字型。如图9所示，磁路长度La＝Lc＝Lb+2(a+b)，为方便计算，设Lb＝2(a+b)，则La＝Lc＝2Lb。
在截面积相同的情况下，磁铁芯磁通量与磁路长度成反比，因此若La、Lc的磁路长度是Lb的两倍，即La＝Lc＝2Lb，会造成50％的不平衡损耗。
将图9中的铁芯沿A-A、B-B切开，即可得到三个分离的铁芯单元，如图11和图12所示。将这三个铁芯单元重新摆成星形，三个铁芯单元之间的夹角互为120°(如图13-图15所示)，从图15中可以看出，三个铁芯单元摆成星形后，由于三相星形变压器的安装距离不得小于三相字型变压器铁柱中心距离a+b，即
Figure BDA0002771749030000091
因此
Figure BDA0002771749030000092
Figure BDA0002771749030000093
就能满足要求，一般情况下35kv变压器以上等级电压b＞a。
当b＝a时，b′＝0.732a，b-b′＝0.278a，每相铁芯缩短了0.278a，因此三相一共缩短0.834a，也就是体积减少0.834a3。如图16所示，变压器铁芯从一字型变为星形后减少的体积为2Vb+0.834a3-2Va。如图17所示，
Figure BDA0002771749030000094
Figure BDA0002771749030000095
因此整体减少的体积为ba2+0.184a3。
一字型变压器铁芯长度La＝Lc＝2Lb，所产生不对称损耗高达50％。而三相星形变压器长度C＝la＝lb＝lc＝a+b+c，每相磁路减少了a+b也就是铁轭磁路长度减少一半，如果铁芯柱磁路长与一字形三相变压铁轭相同，c＝2a+2b，一字形变压器每相磁路长度L＝c+2a+2b＝4a+4b则a+b/4(a+b)-1/4，则磁路长度减少了25％，根据
Figure BDA0002771749030000096
Figure BDA0002771749030000097
其中，μ为导磁系数，N为原边线圈匝数，Im为空载励磁电流峰值，S为铁芯截面积，L为单相磁路长度。利用同样的材料导磁系数μ不变，Im空载励磁电流峰值维持不变，磁通量不变，导磁系数不变所以铁芯截面积不变。磁通量
Figure BDA0002771749030000098
峰值不变，假设Im不变，磁路长度L减少25％，则相应线圈匝数也减少25％。由于线圈匝数减少了25％，铁柱窗口高度也相应减少25％，从而使得磁路长度L进一步减少，Im也因此进一步减少。因此，大幅减少了变压器的用材，同时也解决一字型变压器造成的不对称损耗，铜线材料减少，变压器铁芯的整体体积变小，做到了三相变压器的对称性，缩短了铁芯磁路长度，解决了不平衡的产生的损耗，减小了电路谐波幅度，降低了变压器温度，大比率减少三相变压器用材。
实施例2
如图6和图7所示，一种变压器铁芯的制造装置，包括V型槽21和V型凸起22；所述V型槽21的两个侧壁之间的夹角为120゜，槽底设有第一圆弧部23，所述第一圆弧部23的圆弧半径为R3，所述V型凸起22的两个侧壁之间的夹角为120゜，底部设有第二圆弧部24，所述第二圆弧部24的圆弧半径为R4，且
Figure BDA0002771749030000101
其中，d为铁轭铁片的厚度，n为一个铁芯单元中铁轭铁片的数量，R3大于或等于120mm。所述V型槽21的两个侧壁的顶部上设有两个上挡板25，所述V型槽21的两个侧壁的底部上煞有两个下挡板26，上挡板25与相应的下挡板26之间的距离等于所述铁芯单元的高度。
实施例3
一种变压器铁芯的制造方法，该制造方法利用实施例2中的制造装置来制造实施例1中的变压器铁芯，具体包括如下步骤：
S1、将两片铁轭铁片分别放置在V型槽的顶部和底部；
S2、将两片铁柱铁片分别紧靠所述两片铁轭铁片的左侧和右侧放置，围合成一层铁芯层；
S3、将两片铁轭铁片分别放置在上一铁芯层的顶部和底部，然后重复步骤S2；
S4、重复步骤S3直至将所有铁芯层叠合成一个铁芯单元；
S5、将V型凸起与V型槽对齐，对铁芯单元进行挤压固定；
S6、对铁芯单元进行时效处理；
S7、对铁芯单元进行固化处理；
S8、将三个铁芯单元组合成一个完整的变压器铁芯。
如图8所示，在放置两片铁轭铁片时，被放置在顶部的铁轭铁片与上挡板25相抵，被放置在底部的铁轭铁片与下挡板26相抵。图8中，为了区别铁轭铁片12与铁柱铁片13，在两者之间画了较大的间隙，实际操作时两者紧靠。如图19所示，采用紧固件对变压器铁芯进行固定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种变压器铁芯，其由三个铁芯单元组合而成，每个所述铁芯单元由多个铁芯层叠合而成，每个所述铁芯层由两个铁轭铁片和两个铁柱铁片围合而成，所述铁轭铁片沿其长度方向弯折120゜，且弯折部为圆弧形；其特征在于：对于所述铁芯单元中任意两个相邻的铁轭铁片，R1＝R2+d；其中R1为相邻的两个铁轭铁片中靠外侧的铁轭铁片的弯折部的圆弧半径，R2为相邻的两个铁轭铁片中靠内侧的铁轭铁片的弯折部的圆弧半径，d为铁轭铁片的厚度。
2.根据权利要求1所述的变压器铁芯，其特征在于：每个所述铁芯单元中，奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜；或
奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜。
3.一种变压器，其特征在于：包括变压器铁芯和线圈，所述变压器铁芯为权利要求1或2所述的变压器铁芯。
4.一种变压器铁芯的制造装置，其特征在于：包括V型槽和V型凸起；所述V型槽的两个侧壁之间的夹角为120゜，槽底设有第一圆弧部，所述第一圆弧部的圆弧半径为R3，所述V型凸起的两个侧壁之间的夹角为120゜，底部设有第二圆弧部，所述第二圆弧部的圆弧半径为R4，且
Figure FDA0002771749020000011
其中，d为铁轭铁片的厚度，n为一个铁芯单元中铁轭铁片的数量。
5.根据权利要求4所述的变压器铁芯的制造装置，其特征在于：所述V型槽的顶部和底部分别设有第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构与所述第二限位结构之间的距离等于所述铁芯单元的高度。
6.根据权利要求5所述的变压器铁芯的制造装置，其特征在于：所述第一限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的顶部的两个上挡板，所述第二限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的底部的两个下挡板。
7.一种变压器铁芯的制造方法，包括如下步骤：
S1、将两片铁轭铁片分别放置在V型槽的顶部和底部；
S2、将两片铁柱铁片分别紧靠所述两片铁轭铁片的左侧和右侧放置，围合成一层铁芯层；
S3、将两片铁轭铁片分别放置在上一铁芯层的顶部和底部，然后重复步骤S2；
S4、重复步骤S3直至将所有铁芯层叠合成一个铁芯单元；
S5、将V型凸起与V型槽对齐，对铁芯单元进行挤压固定；
S6、对铁芯单元进行时效处理；
S7、对铁芯单元进行固化处理；
所述V型槽的两个侧壁之间的夹角为120゜，槽底设有第一圆弧部，所述第一圆弧部的圆弧半径为R3，所述V型凸起的两个侧壁之间的夹角为120゜，底部设有第二圆弧部，所述第二圆弧部的圆弧半径为R4，且
Figure FDA0002771749020000021
其中，d为铁轭铁片的厚度，n为一个铁芯单元中铁轭铁片的数量。
8.根据权利要求7所述的变压器铁芯的制造方法，其特征在于：在放置两片铁轭铁片时，被放置在顶部的铁轭铁片与第一限位结构相抵，被放置在底部的铁轭铁片与第二限位结构相抵；所述第一夹板的顶部和底部分别设有第一限位结构和第二限位结构，所述第一限位结构与所述第二限位结构之间的距离等于所述铁芯单元的高度。
9.根据权利要求7或8所述的变压器铁芯的制造方法，其特征在于，步骤S1-S4中：
奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜；或
奇数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为60゜，偶数层铁芯层中铁轭铁片与铁柱铁片之间的连接缝与铁柱铁片长度方向之间的夹角为30゜。
10.根据权利要求8所述的变压器铁芯的制造方法，其特征在于：所述第一限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的顶部的两个上挡板，所述第二限位结构包括分别设置在所述V型槽的两个侧壁的底部的两个下挡板。
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