電氣工程涉及使用可移除和可插入的卷繞芯的三維變壓器(3D-transformer)及其生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

變壓器是這樣的一種裝置，其用于調(diào)節(jié)電壓以適應(yīng)不同電器所需要的電壓，或基于磁路原理通過(guò)改變電壓和電流兩者來(lái)將功率從一個(gè)電路傳遞到具有相同頻率的另一個(gè)電路，當(dāng)根據(jù)法拉第定律由交流誘導(dǎo)時(shí)所述磁路產(chǎn)生感應(yīng)電壓。變壓器的結(jié)構(gòu)由卷繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈構(gòu)成。電流供應(yīng)到其的線圈被稱為初級(jí)線圈，以及連接到負(fù)載的線圈被稱為次級(jí)線圈。在由交流誘導(dǎo)時(shí)，初級(jí)線圈接收交流電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)法拉第定律產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)度取決于在芯上的線圈繞組的數(shù)量、芯的橫截面面積和從交流變化的磁通密度。當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)，在鐵芯中產(chǎn)生磁通。通常，所述磁通在鐵芯內(nèi)受到限制并可基于所接收到的電波的形狀而變化。磁通變化到線圈將導(dǎo)致在次級(jí)線圈處的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)設(shè)計(jì)變壓器、尤其是大的變壓器時(shí)，將考慮的一個(gè)重要因素是通常由硅鋼片構(gòu)成的鐵芯。通常，鐵芯可通過(guò)兩種方法生產(chǎn)，即通過(guò)層疊硅鋼片(層疊芯)以及通過(guò)卷繞硅鋼片(卷繞芯)。芯損耗也應(yīng)考慮在內(nèi)，因?yàn)檫@會(huì)顯著影響每種類(lèi)型的變壓器的效率。因此，在鐵芯的設(shè)計(jì)方面在不斷發(fā)展以提高其質(zhì)量和最小化鐵芯中的功率損耗。關(guān)于鐵芯的這種發(fā)展的核心通常集中于兩個(gè)要素上：用于制造鐵芯的材料，其將最小化磁滯損耗和渦流損耗；以及鐵芯的形狀，其將提供最佳的結(jié)構(gòu)和電氣平衡，具有最小的氣隙(air gap)和易于制造。

在傳統(tǒng)上，基于組裝方法存在兩種類(lèi)型的鐵芯，即堆疊芯和卷繞芯。堆疊芯的問(wèn)題是芯的層可能會(huì)堆疊地不夠緊密，形成氣隙，其在磁場(chǎng)的方向和電路之間導(dǎo)致不一致性。卷繞芯通過(guò)將硅鋼片卷繞成特定形狀而制成，從而最小化磁路中的氣隙。然而，在三相變壓器中，兩種鐵芯都通常將以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和電氣不平衡的二維布置而布置在平面內(nèi)。

三維卷繞芯由Jonas于1880年首先發(fā)明，Jonas是瑞典的一名工程師和發(fā)明家，他創(chuàng)建了用于三相變壓器的基礎(chǔ)，所述三相變壓器具有最佳的結(jié)構(gòu)和電氣平衡，其鐵芯是三維類(lèi)型的(其中三個(gè)鐵芯以具有三個(gè)側(cè)面的三維布置而布置并且每個(gè)芯單獨(dú)卷繞)。然而，這樣的生產(chǎn)方法由于技術(shù)限制和生產(chǎn)成本高而不能被商業(yè)化實(shí)施。

在2001年的號(hào)為EP1277217B2的歐洲專利中建議了關(guān)于三維卷繞芯的另一發(fā)展，其中所述三維鐵芯通過(guò)組裝三個(gè)鐵芯而制成，由此提供附加的角度，從而形成具有六邊形橫截面的鐵芯。然后通過(guò)使用專門(mén)的線圈卷繞機(jī)圍繞鐵芯卷繞線圈。但是，這種類(lèi)型的鐵芯的缺點(diǎn)是在損壞線圈的情況下也不可能移除線圈來(lái)進(jìn)行修理。此外，變壓器的最佳操作效率不能由六邊形橫截面達(dá)到，并且來(lái)自芯的成角度形式也需要用于芯卷繞的相當(dāng)長(zhǎng)的銅線。

根據(jù)一些研究，最有效的鐵芯是具有圓形橫截面的鐵芯，其將導(dǎo)致接近100％的填充因子。然而，制造方法仍然復(fù)雜和昂貴，例如，在號(hào)為CN2508364Y的中國(guó)專利中建議了鐵芯的準(zhǔn)圓形橫截面，指出其制造方法需要用于提升線圈和用于支撐沉重的鐵芯的設(shè)備和機(jī)器。此外，其上具有卷繞線圈的鐵芯必須進(jìn)行干燥過(guò)程以去除絕緣層中的水分，并且一旦粘合劑固化時(shí)將菱形網(wǎng)點(diǎn)紙上的粘接劑熔融以便其完全粘附到線圈。該過(guò)程需要用于干燥過(guò)程的相當(dāng)大的精力和更多的時(shí)間。同樣，如前面所提及的那樣，如果線圈被損壞，則不可能將線圈從鐵芯移除，導(dǎo)致需要更換整個(gè)變壓器。

為了解決上述問(wèn)題，如在號(hào)為CN2770055Y的中國(guó)專利中所示那樣開(kāi)發(fā)了具有近似圓形的橫截面的能打開(kāi)的三維卷繞芯，其一旦打開(kāi)就具有U形形狀。根據(jù)該專利文件，該三維鐵芯通過(guò)下述生產(chǎn)：卷繞鐵芯；將它們以三維布置組裝；使得組裝的芯進(jìn)行退火處理；由專門(mén)的設(shè)備分一層或多層切割鐵芯的頂部；以及打開(kāi)芯成U形以將線圈裝配在鐵芯周?chē)?。遺憾的是，圍繞鐵芯裝配線圈的這種方式是成問(wèn)題的，其原因在于所述鐵芯在打開(kāi)成U形時(shí)必須變形，在硅鋼片中導(dǎo)致殘余應(yīng)力，其導(dǎo)致相當(dāng)大的芯損耗，使得其不適合商業(yè)用途。

根據(jù)號(hào)為CN101276678A的中國(guó)專利，這種鐵芯的進(jìn)一步發(fā)展是具有橢圓形橫截面的鐵芯，其也可打開(kāi)成U形。其整體外觀類(lèi)似于中國(guó)字口以及芯鄰近彼此布置類(lèi)似于中國(guó)字日(即，以二維布置而布置在平面內(nèi))。這樣的芯通過(guò)下述生產(chǎn)：用能夠切割硅鋼片的折線切割機(jī)切割硅鋼片，使得其一旦卷繞具有橢圓形橫截面；用芯卷繞機(jī)卷繞接頭硅鋼片；以及將由一個(gè)卷繞的凹的橢圓形鐵芯和一個(gè)凸的橢圓形鐵芯裝配以形成一個(gè)橢圓形的鐵芯。一旦組裝，三個(gè)鐵芯的橫截面就具有橢圓形的形狀。然后鐵芯打開(kāi)成U形，以將線圈裝配在鐵芯周?chē)?。遺憾的是，本發(fā)明的一個(gè)缺點(diǎn)是橢圓形的橫截面使得填充因子低于圓形橫截面。日形布置也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和電氣不平衡。此外，將線圈圍繞鐵芯裝配的這種方式是成問(wèn)題的，其原因在于所述鐵芯在打開(kāi)成U形的過(guò)程中必須變形，在硅鋼片中導(dǎo)致殘余應(yīng)力，其導(dǎo)致相當(dāng)大的芯損耗，使得其不適合商業(yè)用途。

為了解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出本發(fā)明的使用可移除和可插入的卷繞芯的三維變壓器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及使用可移除和可插入的卷繞芯的三維變壓器，以及用于生產(chǎn)所述三維變壓器的方法。本發(fā)明的目的是使用可移除和可插入的卷繞芯通過(guò)下述提高三維變壓器的質(zhì)量，即減少磁路中的氣隙以最小化磁路的磁阻，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)方向和電路中電流的方向之間的更大的一致性；降低變壓器的運(yùn)行噪聲；以及降低芯損耗。根據(jù)本發(fā)明，鐵芯的橫截面為近似圓形的，其增大填充因子，從而導(dǎo)致變壓器的效率更高。此外，本發(fā)明的鐵芯可被移除并插回到線圈內(nèi)，而無(wú)需打開(kāi)鐵芯成U形，不會(huì)在硅鋼片內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在硅鋼片內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力會(huì)影響鐵芯中的芯損耗。根據(jù)本發(fā)明移除芯并將芯放回的可能性將有利于變壓器的運(yùn)輸和生產(chǎn)。此外，在損壞線圈的情況下，鐵芯可被移除以便更容易維護(hù)，不像傳統(tǒng)的具有卷繞芯的三維變壓器，其要求對(duì)于相同的情況更換整個(gè)變壓器，這是困難的和昂貴的。本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)三維變壓器的簡(jiǎn)化方法，其能夠降低生產(chǎn)成本和減少生產(chǎn)步驟。

根據(jù)本發(fā)明，使用具有近似圓形橫截面的鐵芯的變壓器能夠提高變壓器的效率、降低具有或不具有負(fù)載的芯損耗、減少振動(dòng)以及由此產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和電氣平衡。上述優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致更好地節(jié)約電、降低二氧化碳排放、更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、更好地阻止電短路、更安靜的操作和電網(wǎng)的更好的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1示出使用可移除和可插入的卷繞芯的三維變壓器。

圖2示出三維變壓器的可更換和可插入的卷繞芯。

圖3示出三維變壓器的可更換和可插入的卷繞芯的橫截面。

圖4示出沿著圖3的線A-A的三維變壓器的可更換和可插入的卷繞芯的橫截面。

圖5示出三維變壓器的可更換和可插入的卷繞芯的分步搭接。

圖6示出用于生產(chǎn)三維變壓器的梯形硅鋼片。

圖7示出切割和卷繞硅鋼片的步驟。

圖8示出具有通過(guò)分步搭接的環(huán)形鐵芯。

圖9示出將鐵芯壓成矩形鐵芯。

圖10示出將鐵芯插入到線圈內(nèi)。

圖11示出具有近似橢圓形橫截面的環(huán)形鐵芯。

圖12示出給線圈提供的調(diào)節(jié)桿。

圖13示出處于倒三角形結(jié)構(gòu)的結(jié)合線圈的布置。

圖14示出使用半圓形夾具和支撐基座將矩形鐵芯插入到線圈內(nèi)。

圖15示出結(jié)合線圈旋轉(zhuǎn)120度。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將通過(guò)參考附圖作進(jìn)一步的解釋說(shuō)明。

圖1至圖4示出根據(jù)本發(fā)明的使用可移除和可插入的卷繞芯的三維變壓器。根據(jù)本發(fā)明的三維變壓器包括鐵芯(1)，其具有三條支腳(1.1)，連接支腳(1.1)的軛鐵(1.2)和線圈(2)。

根據(jù)本發(fā)明，支腳(1.1)具有近似圓形的橫截面，連接所述支腳(1.1)的軛鐵(1.2)具有接頭(1.3)，其允許通過(guò)在支腳(1.1)和軛鐵(1.2)之間連接的連接部分(1.4)處輕微拉動(dòng)而打開(kāi)和閉合芯，以打開(kāi)接頭(1.3)，從而將所述鐵芯(1)可移除地插入到所述線圈(2)內(nèi)。在其中所述支腳(1.1)具有近似圓形橫截面的一個(gè)實(shí)施例有利地賦予高的填充因子，同時(shí)輕微拉動(dòng)連接所述支腳(1.1)和所述軛鐵(1.2)的連接部分(1.4)有利地不產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

根據(jù)本發(fā)明的三維變壓器的可更換和可插入的卷繞芯的圖2和圖5示出鐵芯(1)具有三條支腳(1.1)，連接所述支腳(1.1)的軛鐵(1.2)，其具有接頭(1.3)，并且還示出連接支腳(1.1)和軛鐵(1.2)的連接部分(1.4)，和所述接頭(1.3)，其是分步搭接接頭(如圖5中所示)。根據(jù)該實(shí)施例，為分步搭接接頭的接頭(1.3)有利地提供低的芯損耗。

根據(jù)本發(fā)明，鐵芯(1)可有利地根據(jù)需要與干式變壓器、油式變壓器或氣體式變壓器一起使用。

現(xiàn)在將描述用于使用可移除和可插入的卷繞芯的三維變壓器的生產(chǎn)方法。用于生產(chǎn)所述三維變壓器的方法包括；制備硅鋼片；將硅鋼片切成梯形形狀，其具有約10米至700米的長(zhǎng)度(如圖6中所示)；切割和卷繞硅鋼片以獲得具有接頭(1.3)的圓形鐵芯(如圖7和圖8中所示)；將所獲得的圓形鐵芯壓成矩形鐵芯，其包括支腳(1.1)和軛鐵(1.2)(如圖9中所示)；將矩形鐵芯退火；以及將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)(如圖10中所示)。

根據(jù)本發(fā)明，將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)是通過(guò)下述方式進(jìn)行的，即在連接部分(1.4)處稍微拉動(dòng)芯以打開(kāi)接頭(1.3)，以將所述鐵芯以如此的方式可拆卸地插入到線圈(2)內(nèi)，使得一旦將鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)，則鐵芯(1)的每個(gè)支腳(1.1)的橫截面是半圓形的形狀，以及一旦插入所有的三個(gè)鐵芯，則鐵芯(1)的每個(gè)支腳(1.1)的橫截面是近似圓形的形狀。所述生產(chǎn)方法有利地產(chǎn)生用于三維變壓器的卷繞芯，其沒(méi)有殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力增加芯損耗。也便于線圈卷繞，因?yàn)椴恍枰獙⒕€圈卷繞在鐵芯上允許更容易和更快的生產(chǎn)。此外，所述生產(chǎn)方法不需要使得鐵芯連同卷繞在其上的線圈進(jìn)行干燥過(guò)程，從而節(jié)省時(shí)間和精力，所述干燥過(guò)程用于去除絕緣層中的水分，并且一旦粘合劑固化就將菱形網(wǎng)點(diǎn)紙上的粘接劑熔融以便其完全粘附到線圈。

根據(jù)本發(fā)明，硅鋼片的切割和卷繞以每1-10圈繞組切割一次、優(yōu)選以每1圈繞組切割一次的速率進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明，硅鋼片的卷繞以如此的方式進(jìn)行使得在卷繞過(guò)程中保持硅鋼片的中心線。優(yōu)選地，硅鋼片的中心線通過(guò)使用用于調(diào)節(jié)硅鋼片的兩個(gè)邊緣的調(diào)節(jié)裝置(3)(如圖7中所示)保持，以在切割和卷繞過(guò)程中保持硅鋼片處于中心線內(nèi)，并且由此獲得的圓形鐵芯具有近似橢圓形的橫截面(如圖11中所示)。這種繞組的優(yōu)點(diǎn)在于在切割和卷繞過(guò)程中鐵芯不會(huì)掉落，并且圓形鐵芯容易被壓成矩形鐵芯。

根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)將調(diào)節(jié)桿(4)布置于每個(gè)線圈(1)之間來(lái)進(jìn)行將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)，并且將線圈(2)以如此的方式結(jié)合使得線圈(2)相對(duì)于彼此成120度的角度。

根據(jù)本發(fā)明，將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)還包括布置結(jié)合線圈(2)和調(diào)節(jié)桿(4)在變壓器組裝機(jī)中處于倒三角形結(jié)構(gòu)(如圖12至圖14中所示)以便開(kāi)始將鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明，將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)還包括通過(guò)下述將每一線圈(2)的內(nèi)部空間(5)形成為半圓形狀，即以如此的方式將每個(gè)半圓形夾具(5)插入到每個(gè)線圈(2)的內(nèi)部空間內(nèi)，使得半圓形夾具(5)的平坦部分相對(duì)于變壓器組裝機(jī)的水平面成30度的角度(如圖14中所示)。

根據(jù)本發(fā)明，將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)進(jìn)一步包括使用一對(duì)支撐基部(6)，其中每個(gè)基部(6)具有彼此面對(duì)的一個(gè)下坡表面，所述下坡表面相對(duì)于變壓器組裝機(jī)的水平面成30度的角度，以在插入過(guò)程中將所述軛鐵(1.2)支撐在鐵芯(1)的上側(cè)和下側(cè)處。

根據(jù)本發(fā)明，將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)還包括在將矩形鐵芯插入到線圈(2)的半圓形空間內(nèi)之后將結(jié)合線圈(2)旋轉(zhuǎn)到120度的角度(如圖15中所示)。

根據(jù)本發(fā)明，將矩形鐵芯插入到線圈(2)內(nèi)還包括將半圓形夾具(5)相繼地從線圈(2)移除以允許矩形鐵芯逐個(gè)地插入到每個(gè)線圈(2)內(nèi)，直到插入完畢。

進(jìn)行測(cè)試以便確定使用不同類(lèi)型的芯的變壓器的效率，通過(guò)測(cè)量勵(lì)磁電流和芯損耗來(lái)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果在下表中進(jìn)行比較和示出。

根據(jù)上述表，根據(jù)本發(fā)明的具有稍微打開(kāi)的連接部分的三維鐵芯的勵(lì)磁電流和芯損耗非常接近于沒(méi)有切割的三維鐵芯的勵(lì)磁電流和芯損耗，并且明顯好于可打開(kāi)成U形的三維鐵芯的勵(lì)磁電流和芯損耗，因?yàn)閷㈣F芯打開(kāi)成U形導(dǎo)致非常高的殘余應(yīng)力，如由當(dāng)供給電壓時(shí)高磁通量泄漏所確定的那樣，從而導(dǎo)致非常高的勵(lì)磁電流，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量芯損耗。

本發(fā)明的最重要的優(yōu)點(diǎn)是變壓器容易維護(hù)。在操作時(shí)損壞線圈的情況下，鐵芯可被移除且在更換線圈之后可以插回。由于線圈本身可容易地修復(fù)或更換而無(wú)需更換整個(gè)變壓器，因此用于本發(fā)明的材料、維護(hù)成本和其它成本以及變壓器的安裝的成本可以降低。此外，由于鐵芯和線圈是獨(dú)立的，生產(chǎn)這種部件也可單獨(dú)地進(jìn)行，換言之，線圈可在沒(méi)有鐵芯的情況下卷繞。因而線圈卷繞過(guò)程變得更加方便并且較少地消耗烘箱的能量，因?yàn)闆](méi)有必要使得鐵芯連同其上卷繞的線圈進(jìn)行干燥過(guò)程，所述干燥過(guò)程用于去除絕緣層中的水分，并且在粘合劑固化之后將菱形網(wǎng)點(diǎn)紙上的粘接劑熔融以便其完全粘附到線圈。這樣的過(guò)程不僅對(duì)于運(yùn)輸而言不方便，而且它還需要在干燥過(guò)程中的大量時(shí)間和精力。與此相反，根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)方法和將鐵芯組裝到具有近似圓形的多邊形橫截面的三維芯內(nèi)的可能性將增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和提高變壓器的性能，以及降低芯損耗，并減少用于制備線圈所需的銅線的量。此外，線圈和鐵芯的組裝而不必將鐵芯打開(kāi)成U形防止鐵芯變形，從而不在鐵芯中導(dǎo)致殘余應(yīng)力。因此，不存在芯損耗以及在磁路中的氣隙較小，這提高變壓器的性能，同時(shí)減小操作噪聲和振動(dòng)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于上面描述和圖中所示的實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改變和修改。