零间隙和少间隙磁路变压器的制造方法
【专利摘要】零间隙和少间隙磁路变压器新结构，采用零间隙磁路先进工艺和现有大型变压器传统结构相结合的技术，能有效降低接缝磁阻，降低变压器励磁电流和噪声，变压器效率提高，静音不扰人；简化叠片和拆封工序；节约材料和安装成本，是继零间隙磁路变压器结构发明后，制造工艺实践的重大创新。
【专利说明】零间隙和少间隙磁路变压器发明领域
[0001]本发明属于电【技术领域】中的变压器，涉及变压器磁路结构的改进，具体地说是一种能减少磁路接缝磁阻磁损的新结构变压器。
【背景技术】
[0002]变压器的基本原理是绕组(电路)和磁路的交链，要将绕组放进磁路，磁路就必须分段制作后允许绕组嵌入，磁路上必然留下接缝间隙。在变压器制造领域，磁体材料的剪裁、堆叠，绕组装入铁心直至磁路的封闭，操作工艺复杂，而磁路的间隙很难完全消除，接缝间隙处产生的磁阻比磁路其他部分大得多，大的间隙既会增加励磁电流，降低变压器效率，同时，由于磁路接缝间隙存在的变压器噪声，会扰人和影响环境，所以变压器在施工中，如何减少接缝和缩短接缝间隙，是变压器质量控制的重要内容之一，也是工艺规范特别强调之处。针对传统变压器的磁路间隙，专利申请201310160702.1《零间隙磁路自封闭型变压器》提出的零间隙磁路概念的结构，对于降低磁路间隙的效果明显，但对于具体产品的制作，如何与现有产品工艺接轨，采用全零间隙磁路还存在无法采用晶粒取向电工硅钢片的缺点，和材料利用率低等实际问题，有待一个兼顾零间隙磁路工艺和传统变压器整体材料工艺相结合的中间结构解决方案的实施。
【发明内容】
[0003]全零间隙磁路需要一个完全封闭的外框，外框中不允许接缝存在，本发明采用了与零间隙磁路自封闭型变压器不完全相同的结构，那就是采用零间隙磁路和少间隙磁路相结合的新结构，允许外框存在接缝，但接缝必须比传统结构变压器少。使新结构既能与现有传统变压器工艺相结合，能逐步将现有工艺结构过渡到零间隙磁路的先进结构概念，使之符合现有传统工艺的经济性和实用性要求。
[0004]本发明是一种主要由绕组和磁路结构组成的变压器，磁路包含铁心和铁轭两大部分，其特征为，变压器中至少有一个铁心(I)为零间隙磁路；磁路中的接缝间隙比传统变压器少或者磁力线在接缝间隙处的总磁阻比传统变压器小；铁心裁片、堆垛叠片型式有所简化。
[0005]本发明的技术效果是明显的，首先，零间隙磁路和少间隙磁路的新结构变压器可以有效减小变压器磁路接缝间隙，减少磁阻，意味着变压器有较小的空载励磁电流，从而提高了变压器的效率，接缝间隙处产生的磁致伸缩和磁场扰动会产生噪声，零间隙磁路就可以有效降低变压器接缝处的噪声，变压器工作安静，不会扰人；其次，可采用简单的条形铁心裁片，不需要整体外框，有效降低变压器的材料成本；此外，新结构铁心堆垛叠片比传统工艺简单、成本低，可降低变压器的制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1、原发明的零间隙磁路单相变压器的分解结构示意图。
[0007]图2、本发明的零间隙/少间隙磁路单相变压器与普通变压器的叠片和间隙结构比较图。
[0008]图3、本发明的一相零间隙的三柱三相变压器与普通变压器的叠片和间隙结构比较图。
[0009]图4、二相零间隙三柱三铁心三相变压器分体结构示意图。
[0010]图5、三相零间隙三柱三铁心三相变压器分体结构示意图。
[0011]图6、由单相零间隙/少间隙磁路变压器构成的三相壳式变压器基本结构图。
[0012]图7、采用公共磁路的三相壳式零间隙/少间隙磁路变压器磁路的铁轭叠片图。
【具体实施方式】
[0013]本发明的变压器结构主要结构包含两大部分一绕组和磁路，而磁路又可分解为铁心和铁轭。铁心(I)为安装绕组的部件，也是绕组中电流产生磁力线流的源头。绕组(2)为电磁耦合的重要环节一电链，绕组输入电流能够在铁心中产生磁力线，也能通过磁力线的变化产生感应电压而输出功率，从而向外输出交流电流。铁轭⑶是连接铁心中的磁流(单相)或铁心间的磁流(三相)、供铁心中的磁力线流通的、完成磁链的通道，铁心和铁轭组成磁路，也就是说构成了电磁耦合的磁链。
[0014]图1为零间隙磁路单相变压器的分解结构示意图。图中所示为单相变压器，其中的铁心(I)可以为圆柱形，也可以是椭圆形、矩形、长方形或他们的复合形，在铁心上绕制绕组(2)，或者将绕组在线圈架上绕好后套入铁心。铁轭(3)为无间隙的整体长方形环，需要将铁心连同绕组一起装入铁轭，才能完成闭合磁路。
[0015]零间隙磁路变压器的结构工艺是，首先在铁心上安装绕组，然后在铁心和铁轭的结合处(图中所标的A和B位置)，分别对铁心和铁轭作精加工，并使铁心上A、B 二平行面的距离等于或略大于铁轭中A、B 二平行面的距离，属于过盈配合，所以通常很难直接将铁心装入铁轭，但可以采用热套工艺，将铁心维持常温而将铁轭加热，由于加热的铁轭体积膨胀，使AB间的距离增大超过铁心配合面AB间的距离，因此就很容易按AB配合面的设计公差将铁心放进铁轭，一旦铁心和铁轭的温度趋于一致，二者的结合处将达到紧密结合，消除间隙。按照热胀冷缩的原理，或者也可将铁心冷冻而铁轭保持常温，当然在将铁心冷冻的同时加热铁轭的办法就更容易安装。
[0016]配合处过盈的量根据材料和产品需要而定。过盈量不足可能在今后运行受力或振动后松脱，无法长久保持零间隙，过盈太多既可能影响安装，而且太大的过盈量也会在铁心和铁轭内部产生局部应力而增加磁损，所以过盈量应该按达到磁路零间隙和保持封闭结构，铁心和铁轭基本不变形为原则。
[0017]现有小功率单相变压器的铁心和铁轭往往连在一起，构成EI片或双斜E形片，不可能达到零间隙的磁路。而零间隙的磁路必须冲裁出一个整体方框，这是根本不同的两种结构形式，所以零间隙的磁路的工艺与现有小功率单相变压器完全不同。
[0018]现有大功率单相变压器，更不可能冲裁出一个整体无缝的铁轭。
[0019]从上述分析可以看出，对于零间隙的磁路，铁轭为一闭合环，铁轭本身应该没有间隙，因此铁轭必须整体裁剪，这就带来了一些问题，比如，硅钢片的利用率不高，更难以利用有方向性和高导磁的冷轧片一晶粒取向电工硅钢片，这问题对于大型和三相变压器尤其突出。为此提出本发明的零间隙/少间隙磁路的新结构。
[0020]图2为本发明的零间隙/少间隙磁路单相变压器与传统大型单相变压器的叠片和间隙结构比较图。
[0021]图2a)为现有传统单相变压器的叠片图，每层叠片总共由4种尺寸的裁片叠合后产生7个传统间隙。每根磁力线完成回路需要穿过4个传统间隙。通常各层叠片交错覆盖以减少间隙在上下层之间重复出现，降低磁阻。
[0022]图2b)为本发明的单相变压器叠片图。图中，铁心(I)采用零间隙磁路，铁轭(2)采用少间隙磁路，先由2种裁片堆垛围成一个长方形框，框形磁路有4个传统间隙，按传统工艺堆垛叠合，将叠合后的铁轭与铁心接合面按过盈配合工艺作精加工，加工后的接合面作电绝缘处理，以防止片间连接增加涡流损耗。然后在中间柱铁心上制造绕组或者将制成的绕组套入铁心并固紧后，对铁心与铁轭的接合面作零间隙精加工，加工后的接合面同样作电绝缘处理，以防止片间连接。最后，在零间隙磁路二结合体缝隙周边涂复导磁体胶以进一步减少磁阻和增加结合强度。
[0023]零间隙精加工的目的是使铁心与铁轭接合面符合过盈配合以达到零间隙磁路装配尺寸的要求，过盈的量根据材料和产品需要而定。
[0024]根据上述说明可见，本发明的特征为，变压器零间隙磁路为经过过盈配合设计、结合面精密加工、热套安装、绝缘修复、外缘涂复导磁封固胶工艺工序处理的结构件。
[0025]在本发明的单相零间隙/少间隙磁路变压器中，总共由3种尺寸的裁片叠合后产生6个间隙。每根磁力线完成回路也需要穿过4个间隙，但是其中2个是零间隙，零间隙的磁阻磁损肯定远低于普通间隙，也就是说本发明结构磁路的裁片种类由4种减少到3种，磁路普通间隙由7个减少到4个，磁阻磁损仅略大于传统磁路的一半，磁阻大幅减少。从堆垛叠片的工作量考虑，省略了传统的山字形叠片的中间一竖，成为一次成型的口字形，有利于降低制造成本。
[0026]图2c)为本发明的单相变压器的分体结构示意图。
[0027]本发明中的零间隙接缝通常采用平面接缝，在对结合平面做精加工后，为防止结合面硅片间的短路，要对结合面作绝缘修复。少间隙接缝可以采用平接缝、斜接缝或阶梯接缝，斜接缝可以减少少间隙接缝处磁阻，用得较广。
[0028]铁心和铁轭可以选用铁硅系合金(硅钢片)叠制，此外还有多种软磁材料可用在各种不同频率的变压器中，例如，铁铝系合金、铁硅铝系合金、镍铁系合金、铁钴系合金、羰基铁、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、铁基非晶合金、非晶纳米晶合金软磁复合材料等等。
[0029]参照本发明的上述单相零间隙/少间隙磁路变压器结构，可以获得一种一相零间隙/二相少间隙磁路的三柱三相变压器结构。
[0030]图3为本发明的一相零间隙的三柱三相变压器与普通变压器的叠片和间隙结构比较图。
[0031]图3a)为现有传统三柱三相变压器的叠片图，总共由3个磁心及其铁轭，由3种尺寸的裁片叠合后产生每层7个传统间隙。每根磁力线完成回路需要穿过4?6个传统间隙。通常将各层叠片交错覆盖以减少间隙在同一截面处的连续重复出现，也就是说将图示叠片在垂直方向上反过来叠第二层。
[0032]图3b)为本发明的一种三柱三相变压器叠片图。图中，中间铁心(I)采用零间隙磁路；而两旁铁心(11)和铁轭(2)采用少间隙磁路，先由2种尺寸的裁片围成一个凹字形框，按传统工艺堆垛叠合后固紧，在两旁铁心柱上套入绕组，插入上磁轭的硅钢片，封固。然后对铁轭与铁心接合面作精加工，加工后的接合面作电绝缘修复处理，以防止片间连接。在铁心(I)上制造第三个相绕组或者将制成的绕组套入铁心并固紧后，对铁心与铁轭的接合面作零间隙精加工，加工后的接合面同样作电绝缘处理，以防止片间连接。铁心(I)连同其上的绕组按与单相零间隙磁路相同的工艺方法套入，最后涂复导磁固定胶，即成为一具零间隙/少间隙磁路三柱三相变压器。
[0033]在上述一相零间隙/ 二相少间隙磁路三相三柱变压器中，总共由3种尺寸的裁片叠合后产生6个间隙。对中间铁心柱而言,每根磁力线完成回路也需要穿过4个间隙，但是其中2个是零间隙，零间隙的磁阻磁损肯定远低于普通间隙。也就是说本发明结构磁路的裁片种类由4种减少到3种，磁路普通间隙由7个减少到4个，磁阻磁损仅略大于传统磁路的一半。对边柱铁心而言，每根磁力线完成回路需要穿过4个间隙，但是其中2个是零间隙，或者需要穿过4个传统间隙，比传统变压器少一个间隙，磁阻都有所减少。从堆垛叠片的工作量考虑，传统的山字形的中间一竖省略后成为凹字形，工作量减少，也有利于降低制造成本。
[0034]图3c)为一相零间隙三柱三相变压器的磁路分体结构示意图。
[0035]图3中的三柱三相变压器中只有中间铁心为零间隙磁路，而两边柱铁心为少间隙磁路，在技术效果上，少间隙磁路当然不如零间隙磁路的效果好。
[0036]图4为两边柱铁心为零间隙磁路的二相零间隙三柱三铁心三相变压器，其中间铁心为少间隙磁路的新结构，而二边铁心均为零间隙磁路。本发明的二铁心零间隙磁路需要4种裁片，先堆垛叠装中间铁心并制造完成中间柱上的绕组，由绕组和中柱铁心加上铁轭围成一个缺少二边铁心磁路的工字形框，按传统工艺叠合后固紧，分别在两旁铁心柱套入绕组，构成两个边柱上的铁心和绕组，封固。然后对铁轭与铁心的各个接合面分别作精加工，加工后的接合面作电绝缘处理，以防止片间短接，最后按零间隙磁路的工艺将两个边柱铁心按热套工艺放进两边并固紧，涂复导磁封固胶，构成二相零间隙磁路的三柱三相变压器。如果短铁轭裁片(2)采用与铁心(I)相同的尺寸，则一台二相零间隙磁路总共也只需要3种尺寸的裁片。
[0037]图5为三个相铁心零间隙磁路式三柱三相变压器，其具体制造工艺更为简单，可分别堆垛叠合制造3个铁心和2条铁轭并固紧，在铁心上套入绕组，对铁心和铁轭的各个接合面分别作精加工，加工后的接合面作电绝缘修复，以防止片间短接，最后按零间隙磁路的工艺将三个铁心按热套工艺放进铁轭中并固紧，涂复导磁封固胶。一台三柱三铁心全零间隙磁路总共只需要2种尺寸的裁片。实践中，三柱三铁心全零间隙磁路变压器也可以简化安装工艺，即在对下铁轭的结合面精加工后，将同样经过精加工的三个铁心连同绕组放在下铁轭上，然后盖上经过精加工的上铁轭并将整个变压器用拉紧螺栓固紧后封固，涂复导磁封固胶，就可省略热套工艺，更进一步降低材料和工时成本。图5的三铁心全零间隙磁路变压器，顾名思义，全部心柱都采用了零间隙磁路，磁路的磁阻最小，功率损耗最少，而且上下铁轭(2)只需要一种裁片，同时铁轭的堆垛叠合工艺也最简单方便。
[0038]表I为零间隙/少间隙磁路和传统变压器磁路比较表，从表中可以清楚地比较出各种零间隙/少间隙磁路变压器的特点。
[0039]表I零间隙/少间隙磁路和传统变压器磁路比较表
[0040]
器类型传统变压器一相零间隙二相零间隙三相零间隙比较项____
总间隙数量7676
零间隙数量O246
普通间隙数量743O
磁力线穿越间隙数量4~6个4个，其中4~6个，其中4个，都为
_普通间隙 2/3为零间隙2~4个零间隙零间隙间隙磁阻~~不^
裁片种类333^42
堆垛形状山字形M字形工字形二字形~
堆垛作业量Ii
[0041]本说明书以上介绍的三柱三相变压器都属于心式，而五柱三相变压器应属于壳式，这已在原有发明中作出阐述。而对于三柱三相壳式变压器，也可以按本发明的上述基本结构采用各种零间隙磁路结构的方案。
[0042]壳式变压器的结构较紧凑、体积小、重量轻，比较节能节材，在500kV等级大功率变压器中应用广泛。
[0043]图6为由单相零间隙/少间隙磁路变压器构成的三相壳式变压器基本结构图。很明显，这是将三个单相零间隙磁路/少间隙磁路变压器横向放在一起组成的方案。其特点与图2所显示的单相变压器相同，本处不作重复赘述。
[0044]图7即为采用公共磁路的三相壳式零间隙/少间隙磁路变压器磁路的铁轭叠片图。
[0045]如果将三个相的磁路连在一起，可以有效降低用铁量，同时制造工作量也比三个单相变压器省。图7即为该变压器磁路的叠片图。图中，铁轭(2)共有3种裁片尺寸，外力口铁心一种裁片，总共有4种尺寸裁片。将铁轭和铁心分别堆垛叠合成为各自独立的构件，即由3种尺寸裁片构成的目字形的、整体少间隙磁路的铁轭(2)并固紧。3个铁心(I)在堆垛叠合固紧后，在铁心上放入绕组，并固紧。然后对铁轭与铁心的各个接合面作精加工，加工后的接合面作电绝缘修复，以防止片间短接，最后按零间隙磁路的工艺将3两个铁心连同绕组按热套工艺放进3个口字形铁轭窗口并固紧装支架，涂复导磁封固胶，即可完成安装。
[0046]上述所有变压器图中，为方便起见，少间隙磁路均画成平接缝，平接缝具有节材优势，加工也比较方便。但在实际应用中，从节能角度看，斜接缝的效果优于平接缝。
[0047]本发明提出的变压器新结构，涉及磁路的改进，其中包含了单相和三相，也包含了三柱形的心式和壳式变压器。这些新结构变压器的共同特点是具有较小的磁路间隙磁阻，变压器性能有所提高。在制造过程中，裁片种类少，堆垛叠合工时省，制造成本低。
【权利要求】
1.一种主要由绕组和磁路结构组成的变压器，磁路包含铁心和铁轭两大部分，其特征为，变压器中至少有一个铁心(I)为零间隙磁路；磁路中的接缝间隙比传统变压器少或者磁力线在接缝间隙处的总磁阻比传统变压器小；铁心裁片、堆垛叠片型式有所简化。
2.权利要求1所述的变压器，其特征为，变压器零间隙磁路为经过过盈配合设计、结合面精密加工、热套安装、绝缘修复、外缘涂复导磁封固胶工艺工序处理的结构件。
3.权利要求1和权利要求2所述的变压器，其特征为，变压器为单相变，铁心(I)为圆形、方形、矩形、椭圆形或他们的复合形截面的零间隙磁路结构，铁轭为方形、长方形截面的少间隙磁路结构。
4.权利要求1和权利要求2所述的变压器，其特征为，铁心和磁轭为铁硅系合金(硅钢片)，铁招系合金、铁娃招系合金、镇铁系合金、铁钻系合金、擬基铁、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、铁基非晶合金或非晶纳米晶合金软磁复合材料。
5.权利要求1和权利要求2所述的变压器，其特征为，变压器为三相三柱芯式变压器，其中一相或二相铁心为零间隙磁路结构，其他磁路为少间隙结构。
6.权利要求1和权利要求2所述的变压器，其特征为，变压器为三相三柱芯式零间隙磁路结构。
7.权利要求1和权利要求2所述的变压器，其特征为，变压器为由三个零间隙/少间隙磁路结构单相变组合成的三相壳式变压器结构。
8.权利要求1和权利要求2所述的变压器，其特征为，变压器为由三个零间隙铁心磁路和少间隙公共铁轭磁路组成的三相壳式变压器结构。
【文档编号】H01F30/12GK104183369SQ201310203975
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2013年5月27日
【发明者】於岳亮, 於宙 申请人:上海稳得新能源科技有限公司