ES2406808T3

ES2406808T3 - Method for manufacturing triangular transformer cores made of amorphous metal

Info

Publication number: ES2406808T3
Application number: ES10005874T
Authority: ES
Inventors: Martin Dr. Carlen; Lise Dr. Donzel; Stephane Dr. Schaal
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2013-06-10
Anticipated expiration: 2030-06-08
Also published as: CN102364642A; BRPI1103036A2; CN102364642B; KR20110134316A; EP2395521A1; KR101867947B1; EP2395521B1; PL2395521T3

Abstract

Método para la fabricación de núcleos para un transformador trifásico (10), mientras que el núcleo (14) estácompuesto por tres armazones (16) diseñados para combinarse de tal modo que cada pata de núcleo de transformador (18) está compuesta por dos patas de armazón (18), mientras que las patas de núcleo de transformador (16) se disponen en una configuración triangular, y la sección transversal de las patas de núcleo (20)tiene una forma circular o poligonal, y en el que los armazones de núcleo (16) se fabrican de capas de por lo menosuna banda enrollada de forma continua (22) de un material magnético con bajas pérdidas, caracterizado por que la anchura de las bandas (22) se ajusta de acuerdo con la capa respectiva de la pata de núcleo (20) por medio decorte por láser (24).Method for manufacturing cores for a three-phase transformer (10), while the core (14) is composed of three frames (16) designed to be combined such that each transformer core leg (18) is composed of two legs of frame (18), while the transformer core legs (16) are arranged in a triangular configuration, and the cross section of the core legs (20) has a circular or polygonal shape, and in which the core frames (16) are made of layers of at least one continuously wound band (22) of a magnetic material with low losses, characterized in that the width of the bands (22) is adjusted according to the respective layer of the leg of core (20) by means of laser decorte (24).

Description

Método para la fabricación de núcleos de transformador triangular fabricados de metal amorfo Method for manufacturing triangular transformer cores made of amorphous metal

5 La invención se refiere a un método para la fabricación de núcleos para transformadores de potencia trifásicos, mientras que el núcleo está compuesto por tres armazones diseñados para combinarse de tal modo que cada pata de núcleo de transformador está compuesta por dos patas de armazón, y las patas de núcleo de transformador se disponen en una configuración triangular. The invention relates to a method for the manufacture of cores for three-phase power transformers, while the core is composed of three frames designed to be combined such that each transformer core leg is composed of two frame legs, and The transformer core legs are arranged in a triangular configuration.

10 Description of the state of the art

Un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro a través de unos conductores acoplados de forma inductiva – las bobinas del transformador. Para transformar la potencia, los transformadores trifásicos se desarrollaron mucho tiempo atrás. Los transformadores trifásicos tienen un núcleo que 15 comprende tres o cinco extremidades dispuestas en línea y en paralelo y ambos extremos de cada extremidad están conectados con unas culatas comunes. En el caso de un núcleo de cinco patas, las tres extremidades interiores se dotan de devanados de las bobinas, mientras que las extremidades exteriores solo sirven como conductor para el flujo magnético así como también las extremidades interiores. En el caso de los núcleos de tres patas, la totalidad de las tres patas se dota de devanados. Normalmente, los transformadores se forman por medio de chapas de metal, A transformer is a device that transfers electrical energy from one circuit to another through inductively coupled conductors - the transformer coils. To transform the power, the three-phase transformers were developed long ago. Three-phase transformers have a core that comprises three or five limbs arranged in line and in parallel and both ends of each limb are connected with common stock. In the case of a five-leg core, the three inner extremities are provided with windings of the coils, while the outer extremities only serve as a conductor for the magnetic flux as well as the inner limbs. In the case of the three-leg cores, all three legs are provided with windings. Normally, transformers are formed by sheet metal,

20 chapas que se apilan o se enrollan para formar el núcleo de transformador. 20 sheets that are stacked or rolled to form the transformer core.

Una disposición de transformador especial es aquella en la que las patas y bobinas de transformador se disponen en las esquinas de un triángulo. Esas extremidades se han conectado con unas culatas que tienen la forma de triángulos. Esta disposición permite ahorrar espacio, proporciona una configuración simétrica para el flujo magnético 25 y ofrece beneficios con respecto a las pérdidas en el núcleo de transformador. Esos transformadores triangulares se conocen como transformador Delta o como Hexaformer. En el presente caso, el núcleo se monta a partir de tres sub–núcleos, estando cada uno formado como un armazón cuasi–rectangular, mientras que cada uno de los tres sub–núcleos se fabrica a partir de unas laminaciones de acero enrolladas de forma continua. El ajuste de la anchura de laminación para obtener la sección transversal requerida se realiza mediante corte longitudinal, que es un A special transformer arrangement is one in which the transformer legs and coils are arranged at the corners of a triangle. These extremities have been connected with cylinder heads that have the shape of triangles. This arrangement saves space, provides a symmetrical configuration for magnetic flux 25 and offers benefits with respect to losses in the transformer core. These triangular transformers are known as Delta transformers or as Hexaformer. In the present case, the core is mounted from three sub-cores, each one being formed as a quasi-rectangular frame, while each of the three sub-cores is manufactured from rolled steel laminations. keep going. The adjustment of the rolling width to obtain the required cross-section is made by longitudinal cutting, which is a

30 proceso mecánico. 30 mechanical process

El documento de la técnica anterior WO 01/82316 da a conocer un núcleo de transformador fabricado de tiras magnéticas para su uso en un transformador de distribución de potencia. El núcleo de transformador tiene una altura deseada y una forma toroidal sustancialmente cilíndrica producida mediante el devanado de una estructura de The prior art document WO 01/82316 discloses a transformer core made of magnetic strips for use in a power distribution transformer. The transformer core has a desired height and a substantially cylindrical toroidal shape produced by winding a structure of

35 múltiples capas alrededor de un eje central del toroide de una forma similar a una espiral. Asimismo, una variante de núcleo de transformador triangular se da a conocer en este documento. 35 multiple layers around a central axis of the toroid in a spiral-like manner. Also, a triangular transformer core variant is disclosed in this document.

A pesar de que estos transformadores ahorran espacio, su eficiencia podría ser mejor. Además, la fabricación de tal transformador es compleja y laboriosa. Although these transformers save space, their efficiency could be better. In addition, the manufacture of such a transformer is complex and laborious.

40 Por lo tanto, es un objeto de la invención el diseño de un método para la fabricación de un núcleo de transformador que ahorre espacio, el cual sea más eficiente que los del estado de la técnica, a la vez que la fabricación de tales núcleos sea menos compleja y laboriosa. Therefore, it is an object of the invention to design a method for manufacturing a space-saving transformer core, which is more efficient than those of the prior art, while manufacturing such cores. Be less complex and laborious.

45 Por consiguiente, el método de acuerdo con la invención se caracteriza por el hecho de que la anchura de la cinta de acero se ajusta para obtener la forma circular o poligonal deseada de la sección transversal por medio de corte por láser. Accordingly, the method according to the invention is characterized in that the width of the steel belt is adjusted to obtain the desired circular or polygonal shape of the cross section by means of laser cutting.

Por consiguiente, el método de acuerdo con la invención se caracteriza por el hecho de que la cinta provista para Accordingly, the method according to the invention is characterized by the fact that the tape provided for

50 formar el núcleo del transformador es una cinta de metal amorfo, en particular una cinta de acero amorfo. Los núcleos fabricados a partir de acero amorfo tienen unas pérdidas menores. No obstante, debido a la estructura amorfa, el corte longitudinal y/o el corte del metal amorfo es difícil y requiere un cierto grado de conocimientos técnicos. 50 forming the core of the transformer is an amorphous metal tape, in particular an amorphous steel tape. Cores made from amorphous steel have minor losses. However, due to the amorphous structure, the longitudinal cutting and / or the cutting of the amorphous metal is difficult and requires a certain degree of technical knowledge.

55 La idea básica de acuerdo con la invención es la provisión de los miembros de núcleo fabricados a partir de un metal amorfo que se encuentra disponible habitualmente como unas láminas que tienen un espesor de aproximadamente 25 micras, provistas como una tira sin fin. Esas láminas se utilizan para la fabricación de dichos armazones mediante el bobinado de la tira de forma continua. De este modo se proporciona conforme a la invención el recorte de la tira a la forma deseada de la sección transversal del armazón por medio de corte por láser. The basic idea according to the invention is the provision of the core members made from an amorphous metal that is usually available as sheets having a thickness of approximately 25 microns, provided as an endless strip. These sheets are used for the manufacture of said frames by continuously winding the strip. Thus, according to the invention, the cutting of the strip to the desired shape of the cross-section of the frame by means of laser cutting is provided.

60 Por consiguiente, el devanado de la tira y su recorte se efectúa preferiblemente de forma simultánea, por lo tanto la forma deseada del miembro de armazón se consigue de forma exacta mediante la conformación por corte de la tira. En consecuencia, la herramienta de corte se coloca cerca del mecanismo de devanado con el fin de definir la anchura de la tira de acuerdo con la capa respectiva con respecto a la sección transversal de la pata de núcleo. 60 Accordingly, the winding of the strip and its trimming is preferably carried out simultaneously, therefore the desired shape of the frame member is achieved exactly by cutting the strip. Accordingly, the cutting tool is placed near the winding mechanism in order to define the width of the strip according to the respective layer with respect to the cross section of the core leg.

65 Conforme a una realización de la invención, el devanado de las capas de tira para formar un armazón se efectúa mediante un mecanismo de devanado que está funcionando, preferiblemente, de forma parcialmente automática o de forma completamente automática. According to an embodiment of the invention, the winding of the strip layers to form a frame is carried out by means of a winding mechanism that is preferably, partially, automatically or completely automatically.

5 Una característica esencial adicional del método de acuerdo con la invención está caracterizada por que las capas de chapa de metal se fabrican a partir de metal amorfo. Como alternativa, las capas de chapa de metal se fabrican a partir de acero aleado con silicio, acero que es relativamente frágil, asimismo, pero menos frágil que el metal amorfo. An additional essential feature of the method according to the invention is characterized in that the layers of metal sheet are made from amorphous metal. As an alternative, sheet metal layers are made from silicon alloy steel, steel that is relatively fragile as well, but less fragile than amorphous metal.

Mientras que el devanado de bobina con los transformadores convencionales se realiza por separado mientras que las bobinas acabadas se desplazan con facilidad sobre la pata de núcleo respectiva antes de que la culata se monte sobre la misma, con los transformadores triangulares el devanado se efectúa directamente, debido a que el lazo cerrado de los armazones no permite abrir el mismo y, por lo tanto, no existe posibilidad alguna de prefabricar la bobina y de desplazar la misma sobre la pata de núcleo. While the coil winding with conventional transformers is carried out separately while the finished coils move easily on the respective core leg before the cylinder head is mounted on it, with the triangular transformers the winding is carried out directly, due to the fact that the closed loop of the frames does not allow it to be opened and, therefore, there is no possibility of prefabricating the coil and moving it on the core leg.

15 La gran ventaja de los núcleos de transformador fabricados de metal amorfo es que tales núcleos tienen unas pérdidas aún menores que los núcleos fabricados de Si–acero, respectivamente que otras aleaciones de hierro con bajas pérdidas con respecto al flujo magnético. Por lo tanto, el uso de metal amorfo es bastante esencial para aumentar la eficiencia del transformador. 15 The great advantage of transformer cores made of amorphous metal is that such cores have even smaller losses than cores made of Si-steel, respectively than other iron alloys with low losses with respect to magnetic flux. Therefore, the use of amorphous metal is quite essential to increase the efficiency of the transformer.

En el caso de las tiras de metal amorfo, el corte de las tiras es difícil debido a la estructura amorfa del material. El corte mecánico es bastante ineficiente, respectivamente poco preciso, en comparación con el corte por láser de tal modo que, de acuerdo con la presente invención, una realización preferida es el uso de haces de láser para cortar la tira amorfa a una anchura apropiada. In the case of amorphous metal strips, the cutting of the strips is difficult due to the amorphous structure of the material. The mechanical cutting is quite inefficient, respectively not very precise, compared to laser cutting such that, according to the present invention, a preferred embodiment is the use of laser beams to cut the amorphous strip to an appropriate width.

25 En el caso del corte por láser, la anchura de corte puede ajustarse con facilidad y de forma precisa. El proceso permite una alta velocidad. Pueden cortarse al mismo tiempo capas de tiras únicas o un haz de capas. Preferiblemente, es posible colocar el dispositivo de corte por láser cerca del mecanismo de devanado de tal modo que el corte respectivo se realiza para conseguir la anchura de la cinta de metal de acuerdo con la capa respectiva con respecto a la forma deseada de la sección transversal del miembro de extremidad, que puede ser semicircular o poligonal. 25 In the case of laser cutting, the cutting width can be adjusted easily and precisely. The process allows high speed. Layers of single strips or a bundle of layers can be cut at the same time. Preferably, it is possible to place the laser cutting device close to the winding mechanism such that the respective cutting is performed to achieve the width of the metal tape according to the respective layer with respect to the desired shape of the cross section. of the limb member, which can be semicircular or polygonal.

Preferiblemente, el láser que se usa para recortar los bordes de las tiras amorfas es un láser de CO2 o es un láser de estado sólido, mientras que la potencia del láser es de por lo menos 2 W, si bien esta puede ser más alta en el caso de cintas que tienen un espesor más grande, por ejemplo cintas fabricadas de Si–acero. Preferably, the laser used to trim the edges of the amorphous strips is a CO2 laser or is a solid state laser, while the laser power is at least 2 W, although this may be higher in the case of tapes that have a larger thickness, for example tapes made of Si-steel.

35 Si un haz de capas se corta, la potencia de láser puede elegirse de tal modo que las capas se sueldan entre sí en el corte. Esto tiene el beneficio de que fija las capas entre sí y estas se vuelven más fáciles de manejar cuando se devanan los sub–núcleos. Por lo tanto, es una ventaja adicional del método que se reivindica de acuerdo con la invención recortar las tiras de acuerdo con su capa respectiva con el fin de conseguir la forma deseada de la sección transversal del miembro de armazón. 35 If a layer beam is cut, the laser power can be chosen such that the layers are welded together in the cut. This has the benefit of fixing the layers with each other and they become easier to handle when the sub-cores are wound. Therefore, it is an additional advantage of the method claimed in accordance with the invention to trim the strips according to their respective layer in order to achieve the desired cross-sectional shape of the frame member.

El método de corte por láser conforme a la invención no solo puede aplicarse para la fabricación de núcleos de Delta, sino también para los núcleos de Hexaformer. Con los núcleos de Hexaformer, se usan unas bandas de metal de dos anchuras diferentes para devanar espiras de núcleo, que proporcionan una sección transversal de pata de The laser cutting method according to the invention can be applied not only for the manufacture of Delta cores, but also for Hexaformer cores. With Hexaformer cores, metal bands of two different widths are used to wind core turns, which provide a leg cross section of

45 núcleo hexagonal, cuando estas se colocan de forma adecuada. La segunda anchura es la mitad de la primera anchura y, por lo tanto, puede producirse con facilidad mediante el corte longitudinal de una banda en la mitad. Para el metal amorfo, el corte por láser es también un método preferido para realizar el corte. 45 hexagonal core, when these are placed properly. The second width is half of the first width and, therefore, can be easily produced by longitudinally cutting a band in the middle. For amorphous metal, laser cutting is also a preferred method for cutting.

El uso del corte por láser para la fabricación de núcleos triangulares se prefiere en especial en el caso del metal amorfo, si bien puede aplicarse también a Si–acero. The use of laser cutting for the manufacture of triangular cores is especially preferred in the case of amorphous metal, although it can also be applied to Si-steel.

Estas y más mejoras y realizaciones ventajosas de la invención son la materia objeto de las reivindicaciones dependientes. These and more improvements and advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims.

55 Por medio de ejemplos de varias realizaciones preferidas de la invención, que se muestran en el dibujo adjunto a la invención, se ilustrarán y se describirán con más detalle mejoras y realizaciones ventajosas de la invención así como ventajas especiales de la invención. By means of examples of several preferred embodiments of the invention, which are shown in the drawing attached to the invention, improvements and advantageous embodiments of the invention as well as special advantages of the invention will be illustrated and described in more detail.

Esto se muestra en This is shown in

Figura 1 una vista lateral de un transformador dotado de bobinas enrolladas sobre un núcleo de transformador de acuerdo con la invención; Figure 1 a side view of a transformer provided with coils wound on a transformer core according to the invention;

Figura 2 una vista desde arriba sobre la sección de base del núcleo de transformador de acuerdo con la 65 invención y Figure 2 a top view on the base section of the transformer core according to the invention and

Figura 3 una vista esquemática del recorte de la anchura de una tira para un núcleo de transformador de acuerdo con la invención. Figure 3 a schematic view of the cutout of the width of a strip for a transformer core according to the invention.

En la figura 1 se muestra una vista lateral de un transformador 10 que está dotado de bobinas 12 enrolladas sobre 5 un núcleo de transformador 14 de acuerdo con la invención. El transformador 10 se forma mediante tres armazones idénticos 16, armazones 16 que forman unos miembros de núcleo. A side view of a transformer 10 which is provided with coils 12 wound on 5 a transformer core 14 according to the invention is shown in Figure 1. The transformer 10 is formed by three identical frames 16, frames 16 that form core members.

Los tres armazones 16 se colocan juntos con el fin de formar una columna triangular 14 que es el núcleo de transformador de acuerdo con la invención. The three frames 16 are placed together in order to form a triangular column 14 which is the transformer core according to the invention.

10 Cada miembro de núcleo 16 tiene dos lados largos y dos lados pequeños, mientras que los dos lados largos son rectos y forman unos miembros de extremidad 18 en los que cada uno se coloca en paralelo con respecto al miembro de extremidad respectivo 18 de un armazón adyacente 16 y, por lo tanto, forman una pata de núcleo 20. 10 Each core member 16 has two long sides and two small sides, while the two long sides are straight and form limb members 18 in which each is placed in parallel with respect to the respective limb member 18 of a frame adjacent 16 and, therefore, form a core leg 20.

15 Además, la sección transversal de cada miembro de extremidad 18 es o bien semicircular o bien poligonal con el fin de completar la sección transversal de la pata de núcleo 20 para dar un círculo o polígono completo. In addition, the cross section of each limb member 18 is either semicircular or polygonal in order to complete the cross section of the core leg 20 to give a complete circle or polygon.

Las bobinas 12 se enrollan sobre las patas de núcleo 20 después de que el núcleo de transformador triangular 14 se haya acabado. The coils 12 are wound on the core legs 20 after the triangular transformer core 14 has run out.

20 La figura 2 muestra una vista desde arriba sobre la sección de base 15 del núcleo de transformador 14 de acuerdo con la invención que da a conocer la disposición triangular del núcleo de transformador 14. Además de eso, este diseño del transformador 10 ahorra espacio debido a la poca base que requiere el núcleo de transformador 14. Tal como puede verse a partir de la figura 2, la sección transversal de cada miembro de extremidad 18 es semicircular y 20 Figure 2 shows a top view on the base section 15 of the transformer core 14 according to the invention which discloses the triangular arrangement of the transformer core 14. In addition to that, this design of the transformer 10 saves space due at the low base required by the transformer core 14. As can be seen from Figure 2, the cross section of each limb member 18 is semicircular and

25 forma, junto con el miembro de extremidad 18 del miembro de núcleo adyacente 16, una pata de núcleo que tiene una sección transversal circular. 25 forms, together with the limb member 18 of the adjacent core member 16, a core leg having a circular cross-section.

La figura 3 es vista desde arriba esquemática sobre una tira o cinta 22 que se proporciona para enrollarse capa a capa del núcleo de transformador 14. Con el fin de conseguir la forma deseada de la sección transversal de los Figure 3 is seen schematically from above on a strip or tape 22 that is provided for winding layer by layer of the transformer core 14. In order to achieve the desired cross-sectional shape of the

30 miembros de extremidad 18, es necesario recortar la cinta en consecuencia, debido a que de otro modo la forma no puede conseguirse mediante una configuración de laminación en la que la tira o cinta 22 se lamina para dar una pluralidad de capas. 30 limb members 18, it is necessary to trim the tape accordingly, because otherwise the shape cannot be achieved by a rolling configuration in which the strip or tape 22 is laminated to give a plurality of layers.

Por lo tanto, el recorte de la anchura de una tira 22 es necesario para conseguir la forma del miembro de extremidad 35 18 de un armazón 16 para un núcleo de transformador 14 de acuerdo con la invención. De acuerdo con la invención, el recorte se realiza por medio de un láser 24 que tiene un haz de láser 26 mientras que para cortar o recortar la tira Therefore, cutting the width of a strip 22 is necessary to achieve the shape of the limb member 35 18 of a frame 16 for a transformer core 14 according to the invention. According to the invention, the trimming is carried out by means of a laser 24 having a laser beam 26 while to cut or trim the strip

o cinta 22 preferiblemente se está usando un láser de CO2 y que tiene una potencia de por lo menos 10 W. or tape 22 preferably a CO2 laser is being used and it has a power of at least 10 W.

El haz de láser 26 se guía sobre la tira o cinta 22 a lo largo de la línea de corte deseada 28, que se corresponde con 40 la anchura de la tira o cinta 22 que se requiere para la capa respectiva de la espira de núcleo 14, en la que se hace que la tira o cinta 22 avance para devanar el armazón 16 como un miembro de núcleo. The laser beam 26 is guided on the strip or tape 22 along the desired cutting line 28, which corresponds to 40 the width of the strip or tape 22 that is required for the respective layer of the core loop 14 , in which the strip or tape 22 is advanced to wind the frame 16 as a core member.

Lista de referencias Reference List

45 10 transformador 45 10 transformer

12 bobina 12 coil

14 núcleo de transformador 50 15 base de transformador 14 transformer core 50 15 transformer base

16 armazón, miembro de núcleo 16 frame, core member

55 18 miembro de extremidad 55 18 limb member

20 pata de núcleo 20 core leg

22 tira, cinta, banda 60 24 láser 22 strip, tape, band 60 24 laser

26 haz de láser 26 laser beam

Claims

1. Method for manufacturing cores for a three-phase transformer (10), while the core (14) is composed of three frames (16) designed to be combined in such a way that each core leg of

5 transformer (18) is composed of two frame legs (18), while the transformer core legs (16) are arranged in a triangular configuration, and the cross section of the core legs (20) has a circular shape or polygonal, and in which the core frames (16) are made of layers of at least one continuously wound band (22) of a magnetic material with low losses,

characterized by that

10 the width of the bands (22) is adjusted according to the respective layer of the core leg (20) by means of laser cutting (24).

2. Method according to claim 1, characterized in that the laser cutting (24) of the tape or band (22)

it is performed at the same time as the winding of the band (22) in order to form the frame (16). fifteen

3. Method according to claim 2, characterized in that the manufacturing of the core frames (16) is carried out by winding a first band (22) onto a mandrel and at least a second band

(22) on the first rolled band (22).

Method according to claim 2 or 3, characterized in that the manufacturing of the core frames

(16) is effected by winding at least a second band (22) of a different width on the first rolled band (22).

5. Method according to claim 1, characterized in that the manufacturing of the core frames (16) 25 is carried out by assembling at least two turns of rolled bands (22).

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the laser (24) used to trim the bands (22) has a power of at least 10 W.

Method according to claim 1 or 6, characterized in that the laser (24) is a CO2 laser.

8. Method according to claim 1 or 6, characterized in that the laser (24) is a solid state laser.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the band (22) 35 of a magnetic material with low losses consists of amorphous metal.

Method according to at least one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the band (22) of a low loss magnetic material is manufactured from silicon alloy steel.

Method according to any of the preceding claims, characterized in that multiple bands

(22) are cut and welded simultaneously with each other by means of a laser (24) which results in a certain mechanical stability of the frame (16).

12. Method according to any of the preceding claims, characterized in that the transformer core (14) is tempered to improve its magnetic characteristics.

13. Method according to any of the preceding claims, characterized in that the transformer core (16) is coated with a polymeric material to provide mechanical stability.