CN1317144A - 变压器铁心 - Google Patents

Abstract

一种变压器铁心，包括至少一个支柱和至少一个磁轭部，其中支柱的横截面为具有多于四个边的规则多边形。铁心由从宽度恒定的条带滚制的环制成，从而可以取得良好的电气特性。还可以容易地制造变压器并避免浪费材料。

Description

变压器铁心

本发明涉及变压器铁心，尤其是包括规则多边形支柱的三相和单相铁心。

三相变压器铁心通常由变压片制成，对小变压器它们切割成EI形，而对大变压器它们切割成边对边设置的矩形片。其缺点在于，磁场必须经过边从片传递到片上，而且磁场必须经过不必要长的路径并不能总是沿磁性取向行进。

变压器铁心的设计者致力于取得带有基本为圆形横截面的支柱，因为这样最终的变压器最有效。但是，总得在效率和生产需要之间权衡，这样只能产生带有非圆形支柱的不是最优的变压器铁心。

三相变压器的条片铁心很难加工。铁心的效率可以通过将条片切割成可变的宽度和绕组环而增大，对单相变压器给定一圆形横截面而对三相变压器给定半圆形横截面。这种方法产生了大量的浪费并且绕组步骤很耗时。

US 4,557,039(Manderson)披露了一种使用具有线性斜度的电工钢条片加工变压器铁心的方法。通过选择适当的斜度，一个铁心支柱的六边形或更接近圆形的横截面产生出来。但是，斜条片很难加工并且很耗时，而且其设计不适应大规模生产。

在图1a-1c中示出了Manderson的一个现有技术的三相变压器铁心10。铁心具有△形，从图1中的立体图中可见，其中三个支柱由磁轭部相互连接。在图1a中，示出了在组装之前铁心的一个剖视图。铁心包括三个相同的环形部分12,13和14，其基本形状在图1中示出。每个环形部分填充到两个具有六边形横截面的支柱的一半高度，这样构成一个三相变压器的三个支柱。环形部分首先由恒定宽度的条片缠绕成三个相同的环12、13和14，带有菱形横截面，包括两个60°的角和两个120°的角。这些环12a-14a构成基环。条片的方位也在图1a和1b中示出。

在每个环形部分中的基环外侧有一个具有正三角形横截面的外环12b,13b,14b。外环由具有宽度恒定减小的条带缠绕而成。

当三个环形部分12-14结合在一起时，见图16，它们形成三个六边形支柱，其上缠绕有变压器绕组。

此方案的一个缺点在于变压器的每个尺寸需要其自身的条片切割。而且，外环12b-14b由具有宽度减小的条片制成会产生浪费，而且还使根据Manderson的变压器很难加工。

在以下文件中也描述了变压器铁心，它们是：SE 163797,US 2,458,112,US 2,498,747,US 2,400,184和US 2,544,871。但是，以上所述的文件中的铁心不能克服上述问题。

本发明的一个目的是提供一种变压器铁心，其中能量损失减小到最少。

本发明的另一个目的是提供一种变压器铁心，它可以容易地加工并避免材料浪费。

本发明的还一个目的是提供一种加工变压器的方法，它可以很好地适应大规模生产。

本发明基于的认识为，一个带有一个或多个具有多于四个边的规则多边形支柱的变压器铁心可以由具有恒定宽度的材料的条片缠绕而成。

根据本发明，提供了一种变压器铁心，包括至少一个支柱和至少一个磁轭部，其中所述至少一个支柱的横截面为具有多于四个边的规则多边形，其特征在于，铁心由从宽度恒定的条片滚制的环制成。

其他的优选实施例在从属权利要求中限定。

下面参照附图以示例性方式描述本发明，其中：

图1是由带有菱形和三角形横截面的环制成的现有技术的三相变压器铁心的一立体图；

图1a和1b是分别在组装之前和之后图1中所示的铁心的剖视图；

图2是本发明一三相变压器铁心的一立体图，铁心带有具有六边横截面的支柱；

图2a和2b是分别在组装之前和之后图2中所示的铁心的剖视图；

图3a和3b是一个变化的三相变压器铁心带有六边横截面的支柱部分别在组装之前和之后的剖视图；

图4是带有八边形支柱的三相变压器铁心的一立体图；

图4a是图4中所示的铁心的一剖视图；

图5是带有十边形支柱的一变压器的剖视图；

图6是带有十二边的一变压器支柱的剖视图；

图7-9示出用于影响一三相变压器中漏电感和谐波的设置；

图10是带有特定形状的磁轭部分用于改进磁通的一三相变压器铁心的剖视图；

图11示出带有排列的支柱的一三相变压器铁心；

图12-14示出本发明的单相变压器铁心；

图15-17示出变压器铁心横截面形状的进一步的改进。

下面描述本发明一三相变压器铁心的优选实施例。

已结合现有技术对图1进行了描述，并且以下不再解释。

图2中示出本发明一个三相变压器铁心20。其基本形状与图1中所示的现有技术的变压器铁心相似，基本具有一△形，但以完全不同的方式设计。

铁心由三个环形部分22、23、24制成，环形部分包括几个环。这样有较宽的或较窄的两个宽度，其中窄环由为宽环宽度一半的条片制成。而且它们有较低的或较高的两个高度，其中低环的高度为高环高度的一半。除非另外指明，在本说明书中通篇使用这些限定。条片最好由变压器片制成。

每个环形部分22-24分别包括一个宽的并且高的基环22a-24a，这同图1中所述相似。这样，这些环在六边形支柱中成对形成四个侧边。支柱中其余的斜方形以不同的方式构成，见图2a和2b。

在最里面的第一支柱25中，附加的菱形横截面由两个斜方形构成。第一个以24b表示并属于环形部分24，它是一个宽低环。第二个以22b表示并属于环形部分22，它是一个窄高环。

在图2中右边的第二支柱26中，附加的斜方形横截面由一个偏菱形和两个斜方形构成。偏菱形由属于环形部分22的窄高环22b填充。斜方形由属于环形部分23的两个窄低环23b、23c填充。

在图2左边的第三支柱27中，附加的斜方形横截面也由一个偏菱形和两个斜方形构成。偏菱形由属于环形部分24的宽低环24b填充。斜方形由属于环形部分23的两个窄低环23b、23c填充。环形部分23包括两个低窄环而不是一个较大的环的原因在于，较大的环不能既如在左支柱27中所需那样窄而高又如在右支柱26中所需那样宽而低。这样就使用两个窄低环。

所有连接支柱25-27的上或下磁轭都具有不同的形状，但都由一个具有较大斜方形横截面的基环加上一个具有偏菱形横截面的环或两个具有较小的斜方形横截面的环构成。这样所有的磁轭都具有相同的总横截面面积。

基环外侧的斜方形空间当然可以根据一些基本原理填充。下面参照图3a和3b描述一第二实施例。通常表示为30的铁心具有与上述第一实施例基本相同的形状。但是在此实施例中铁心包括三个相同的环形部分32-34，下面描述最右边的一个32。环形部分32-34与结合图2描述的部分23相似。在第一支柱35中，环形部分32包括两个窄低环32b、32c，其中环32c围绕在环32b外侧。在第二支柱36中，环形部分32的两个环32b、32c彼此侧对侧设置的，见图3a。

其余两个部分33、34与第一部分32相同。这样，通常取决于产量铁心的生产可以简化，因为所有三个环形部分32-34都可以由相同的模具制成。

还可以加工宽低环并转动支柱部60°，迫使磁轭部分相应弯曲。这样磁轭部分需要更多的空间并且弯曲不容易实现。也可以如上所述加工窄高环并转动和弯曲，但这比较困难。还可以进行包括那些具有较小拆分的另外的变化。

下面参照图4和4a描述一个通常表示为40的带有八边形支柱的铁心。在一八边形横截面中，例如参见后支柱45，侧边转动45°，这表示它们具有相对彼此的135°的相对角。每个带有一45°角的三个斜方形则在铁心支柱的最里边中形成。在这些斜方形外侧，两个正方形由带有正方形横截面的环填充。最后，一个斜方形填充支柱的八边形横截面的其余部分。

从这六个子横截面中，三个子横截面构成归属第二支柱部46的一成形环的横截面。其余的子横截面构成归属第三支柱部47中的一成形环的横截面。还有一个成形环连接第二和第三支柱部46,47。

这三个成形环都包含两个带有相同支柱部的环。一第一环42a、43a、44a具有一个斜方形横截面而磁轭部分弯曲15°。一第二环42b、43b、44b在第一环之外并且为正方形，而且遵循第一环42a-44a的形态。

使用参照图2和3所述带有六边形支柱的实施例的一种方案，两个外斜方形构成一个带有弯曲15°的磁轭部分的外环的横截面。或者，两个内斜方形构成一个内环但弯曲60°。下一个环必须在一支柱中给出一外斜方形而在其他支柱中给出一内斜方形并弯曲30°。它最好是一种成形环，因为很难弯曲一个环60°，并且不能避免既带有一外斜方形又带有一内斜方形的环。

在部分42中，在支柱部中第三环42c具有一个在支柱部中斜方形横截面并被放置在后支柱45最外侧但位于右支柱46内。支柱部的这些斜方形可以通过向右支柱46右侧并向后支柱部45左侧移动环的外条片而获得。此外，支柱不对称地转动30°并且磁轭部相应地弯曲。给予环这样一个周面，它位于其他环的外侧。最终的结果在图4中显现出来。

下面参照图5描述一个十边形支柱50。成形环包含所有四个带有相同支柱部的环。在其支柱部中带有菱形横截面的第一环50a、第二环50b以及第三环50c连在十边形横截面上。这样它们具有36°、72°和108°的角而其磁轭部分弯曲24°。一个具有一带有36°角的斜方形横截面的第四环50d主要位于第一环50a上。其支柱部向外转动24°，使其磁轭弯曲48°。第四环还使第三环50c的磁轭部分弯曲更大以提供空间。当其位于第三环50c外侧时，一第五环50e在其支柱部中具有一带有144°角的菱形横截面，但当其位于第四环50d外侧时，第五环50e具有一个带有72°角的菱形横截面。磁轭只弯曲12°。图中的箭头表示横截面50e属于不同的成形环。而且一个通道51适于冷却支柱。在一个变化的实施例中，通道填充有一个环。当通过使磁场在其之间产生而使环共同工作时这是一个优点。空间可以例如处置成环50c的上部取得带有72°角的新的菱形横截面，使通道52a和52b可以形成。右边环50c的另外的部分可以被推向环50e，其形成空间53a和53b。

可以提供带有更多边的三相变压器铁心。图6示出一个十二边形的铁心60。成形环由四个环60a-d构成，它们具有带有30°、60°、90°和120°角的菱形横截面，这些环连接到十二边形横截面上并转过15°。在这些环内有两个环60e、60f，具有分别带有30°和60°角的菱形横截面并向外转过15°。一个用于环60g的空间连接在第五和第六环60e、60f上，环60g具有一个带有30°角的菱形横截面并向外转过45°。其他的支柱部是一个在第六环60f外侧的矩形并向外转过15°。在环60d上有一个用于环60h的空间，环60h具有一个带有150°角的菱形横截面，并且其他的支柱部是一个连接到环60d上并在环60f外侧的矩形。这样就填充了整个横截面。通过提供更大的弯曲来为其他磁轭部提供空间而分开磁轭部。

对一些变压器应用场合可以取得甚至更好的变压器铁心特性，见图7。通过一个位于变压器初级和次级绕组之间的由条片制成的另外的铁心29可以容易地增大漏电感。条片在顶部和底部结合在一起。条片可以围绕整个初级绕组伸展，或集中在一个地方，使次级绕组偏心。

铁的非线性磁特性在磁场、电流和电压中产生谐波。

在良好对称和无失真的三相状态下放置在铁心中心的一个另外的支柱不会取得任何磁场。在相电压中通常的成分如第三谐波由一中心支柱影响。

而且可以在绕组和一中心支柱之间有条片的一个组合。

在一个实施例中，中心支柱由三个条片制成的三角形磁极80构成，其中高度为宽度的三倍，它们彼此互相位于其上形成一个正方形横截面，见图8。最好为三角形并且一个定做的方案包含带有一菱形横截面的磁极，其中三个组合在一起形成一包，条片边在一个波形形式中彼此朝向，见图9。这些包以小间距放在一起形成一个带有大约为三角形横截面的支柱。磁极的端部向外弯曲到达磁轭。为了弯曲需要在磁极之间留有隔件。隔件不影响磁特性，因为来自每一包91a-c；92a-c；93a-c的一个磁极向每个磁轭弯曲。而且这些条片至少在一侧上平行于隔件。

如果在中心支柱和磁轭之间有气隙时一个由条片缠绕成螺旋形或螺线圈的杆特别有用。螺旋线可以在端部更宽以减小到磁轭的气隙。

类似的构成铁心的柔性很良好并示于图10中。图中示出结合图4所述的铁心，磁通的大部分可以在支柱中从一个成形环传递至另一个成形环，其中它们彼此接触。这可以使较大的磁通在磁轭三角形中旋转。

根据本发明，可以提供一个带有排列支柱的三相变压器铁心。这具有以下优点，即变压器比△形的铁心窄。这种变压器对于放置在例如火车车厢上是很理想的。

图11a示出一个带有八边形支柱的变压器的剖视图。所有的支柱包括四个带有45°角的斜方形和两个正方形。在图中示出在相邻支柱之间的环，而在外支柱之间的那些环几乎完全被挡住。

为了制成这种变压器铁心，支柱部必须可以弯曲而且磁轭部可以弯曲并彼此传递。这里有几种方案，图中示出一种。环的支柱部向外弯曲而磁轭部向内弯曲，或者相反。磁轭部的形状由有限的塑性变形可能性限定，但磁轭部可以具有任何形状。图11中示出的原理可以取得很弯的形状和很直的磁轭部。

环还可以彼此放置在其上提供圆形弯曲，以节省材料。

左支柱115和中心支柱116之间的磁轭由一个环112a、一个环112b以及一个环112c构成，环112a在支柱部中带有一菱形横截面，环112b带有正方形横截面，两个环都弯曲22.5°，而环112c在支柱部中转过67.5°。环112a和112b安装到八面体上接近磁轭侧，而环112c安装到相对侧中。

中心支柱116和右支柱117之间的磁轭只可以在余下的位置114a-c中放置到中心支柱中。左和右支柱115,117的横截面与中心支柱116成镜像，这样在中心支柱中的环对称。内环114a、114b在右支柱117中位置最近。但是，在支柱部中具有正方形横截面的环114c到达右支柱中最近的正方形位置。其原因在于在外支柱之间带有一正方形横截面的环113a位于一个已存在的磁轭部上的外部位置上，以到达左支柱。

磁轭的转动不可能取得。在一个变化的实施例中，使用一个缓慢倾斜的折头。这对具有最短磁轭的环114c示出。折头在磁轭一端开始并在另一端结束，在图11中对下磁轭由118a标出而对上磁轭由118b标出。而且，磁轭可以分成几个窄环。

而且如果给定多边形横截面，一个单相变压器也会更有效。图12示出一个具有八边形横截面的变压器，变压器由与在三相变压器中具有相同横截面的环构成，但带有沿绕组外侧最近路径行进的回路。环可以调换但仍具有一八边形横截面。可以通过绕在在图中最右侧形成环圈的环的左侧上取得对变压器片数量的略微减少。其横截面必须改变成为一接近矩形的菱形。

一个带有两个支柱的铁心可以通过从一个支柱一起弯曲以只再形成一个支柱而由三相设计制成。在图13中所示的铁心在其支柱部中带有一个八边形横截面。三个支柱部转动45°并弯曲90°。一个带有矩形横截面的环和两个在此环之外的环不会变形。带有六边形支柱的铁心只需要由具有相同宽度的条片制成的三个环。

如果其中三个斜方形边相遇的八边形边位于铁心最内部，除了在中间的斜方形必须转动67.5°外，其余的转动只有22.5°。用一个环代替此斜方形的步骤基本与斜方形的步骤一样，但更可行并示于图14中。可以通过使条片成为圆形得到进一步的改进，这样增大了整个横截面。

一个多边形支柱外侧的区段可以由一个由一条片构成的薄菱形环填充，其宽度约为一半而高度为整个区段的全高，并缠绕至其整个宽度。在条带中沿图15中斜方形的中间的折头形成一个平侧的两侧，提供一个三角形，其侧边与铁心接触。一个折头具有约2/3的宽度和8/9的高度，折头在最内部的条片的边上形成一个如图16中所示的梯形横截面。此横截面也可以为圆形。

通过宽度恒定的条片，支柱部可以具有一个比较接近一个圆形的横截面形状，见图17,17a和17b。下面参照图17a的一个例子描述图17中的右支柱172，其中示出所述支柱的一个横截面。在最内部，环173的宽度为整个宽度的80％，而高度为其宽度的9％。有三个环形成一个外接圆，见图17a。

这六个区段中的四个填充有磁性材料，而此组成的铁心外侧的条片可以填充其他的区段。

一个环174可以设置在六边形的外侧上。

在图17b中示出另一个实施例，其中环174已由其余环中的较宽的条片代替。

以上已经提到了本发明变压器铁心的一些优点。其他的优点为：低或无负载损失，重量轻，体积小，漏电小，由于三相变压器的相的对称性可以减小谐振、容易维修等。

以上描述了本发明的变压器铁心的优选实施例。本领域的专业技术人员在权利要求书的范围内可以进行变化。

Claims (20)

1．一种变压器铁心，包括至少一个支柱和至少一个磁轭部，其中所述至少一个支柱的横截面为具有多于四个边的规则多边形，其特征在于，铁心由从宽度恒定的条片滚制而成的环制成。

2．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，所述至少一个支柱具有六边形横截面。

3．根据权利要求2所述的变压器铁心，其特征在于，包括九个环。

4．根据权利要求3所述的变压器铁心，其特征在于，包括三个具有第一宽度和第一高度的环和六个具有第二宽度和第二高度的环，其中第二宽度相当于第一宽度的一半而第二高度相当于第一高度的一半。

5．根据权利要求4所述的变压器铁心，其特征在于，包括

第一(32)、第二(33)和第三(34)环形部分，其中每个环形部分包括：

一个由具有第一宽度和第一高度的条片缠绕的第一环(32a,33a,34a)，所述环的横截面为带有两个60°角的菱形，

一个由具有基本相当于第一宽度一半的第二宽度和基本相当于第一高度一半的第二高度的一个条片缠绕的第二环(32b,33b,34b)，所述第二环具有菱形横截面并位于所述第一环(32a,33a,34a)上，

一个由具有第二宽度和第二高度的一个条片缠绕至第二高度的第三环(32c,33c,34c)，所述第二环具有菱形横截面并位于所述第一环(32a,33a,34a)上邻近所述第二环的一个位置中并位于所述第二环上的另一个位置中，

所述第一、第二和第三环形部分组装形成一个具有三个带有六边形横截面的支柱的三相变压器铁心。

6．根据权利要求2所述的变压器铁心，其特征在于，包括七个环。

7．根据权利要求6所述的变压器铁心，其特征在于，包括：

由具有第一宽度和第一高度的条片缠绕的第一(22a)、第二(23a)和第三(24a)环，所述环的横截面为带有两个60°角的菱形，所述形成磁轭部分的第一、第二和第三环一起形成一个三角形，

一个由具有所述第一宽度和基本等于第一高度一半的第二高度的一个条片缠绕的第四环(24b)，所述第四环具有斜方形横截面并位于所述第三环(24a)上，

一个由具有基本等于第一宽度一半的第二宽度和所述第一高度的一个条片缠绕的第五环(22b)，所述第五环具有斜长方形横截面并位于所述第一环(22a)上，

一个由具有第二宽度和所述第二高度的一个条片缠绕的第六环(23b)，所述第六环具有菱形横截面并位于所述第二环(23a)上，以及

一个由具有第二宽度和所述第二高度的一个条片缠绕的第七环(23c)，所述第七环具有菱形横截面并位于所述第二环(23a)和所述第六环(23b)上，

从而可以形成一个带有三个具有六边形横截面的支柱的三相变压器铁心。

8．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，所述至少一个支柱部具有八边形横截面。

9．根据权利要求8所述的变压器铁心，其特征在于，包括第一、第二和第三成型环，每个成型环包括三个都具有两个支柱部和两个磁轭部的环(42a,42b,42c)，其中

第一环(42a)在其带有45°角的支柱部具有菱形横截面，而磁轭部在其支柱部的外侧面彼此向对方移动的方向中弯曲15°角，

第二环(42b)在其支柱部具有正方形横截面并且位于所述第一环上，以及

第三环(42c)在其支柱部具有菱形横截面，一个具有45°角的第一支柱部主要位于所述第一环(42a)上而一个具有135°角的第二支柱部位于所述第二环(42b)上，

所述第一、第二和第三成型环组装成一个具有三个带有八边形横截面支柱的三相变压器铁心。

10．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，所述至少一个支柱具有一个带有十个边的横截面。

11．根据权利要求10所述的变压器铁心，其特征在于，包括第一、第二和第三成型环，每个成型环包括五个都具有两个支柱部和两个磁轭部的环(50a-e)，其中

第一环(50a)在其支柱部具有菱形横截面，带有36°的角，

第二环(50b)在其支柱部具有菱形横截面，带有72°的角，

第三环(50c)在其支柱部具有菱形横截面，带有108°的角，

第四环(50d)在其支柱部具有菱形横截面，支柱部具有36°的角并且主要位于所述第一环(50a)上，而其磁轭向外转动24°的角，以及

第五环(50e)当其位于第三环(50c)上时在其支柱部具有菱形横截面，带有一个144°的角，而当其位于第四环(50d)外侧时具有菱形横截面，带有一个72°的角，而且一个通道(51)在第五环(50e)外侧适合于冷却所述支柱，

所述第一、第二和第三成型环组装成一个具有三个带有十边形横截面支柱的三相变压器铁心。

12．根据权利要求11所述的变压器铁心，其特征在于，当其进入完整的支柱中时通过给第三环(50c)的外部一个带有72°角的菱形横截面并通过向第五环(50e)移动第三环的另一个外支柱而产生冷却通道(52a,52b,53a,53b)。

13．根据权利要求10所述的变压器铁心，其特征在于，其支柱部和成型环的多边横截面包括一个第一组环，带有具有不同角度的横截面，但其支柱部转过相同的角度并连在多边形横截面上，而且一个第二组环带有具有不同角度的菱形横截面，但其支柱部转过相同的角度并与第一组相连，直到其中最内部产生用于环的空间，这样在其一个支柱部中产生一个横截面并转过与在其他的支柱部中不同的角度。

14．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，所有的环具有带有两个60°角和两个120°角的菱形横截面。

15．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，包括一个另外的铁心(70)，由条片组成，在绕组之间在铁心的顶部和底部集合在一起。

16．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，一个另外的铁心位于至少一个条带磁极的中心线上，而且如果有许多的话设置成三个、三个地为一包，其磁极向每一个磁轭弯曲。

17．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，支柱的数量为一个。

18．根据权利要求17所述的变压器铁心，其特征在于，环环绕变压器绕组一个位置的外侧。

19．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，支柱的数量为两个。

20．根据权利要求1所述的变压器铁心，其特征在于，支柱横截面和一个外接圆之间的区段局部由薄环和/或较宽的条片填充。

Images