低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心及其辅助计算方法与流程

本发明低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心及其辅助计算方法属于变压器的
技术领域：
，具体涉及一种油浸式配电变压器。
背景技术：
：目前国家电网对于配电变压器要求越来越严格，其中抗突发短路这一要求是尤其重要。而目前国内众多厂家对于此类配电变压器普遍采用在节材方面有巨大优势的长圆铁心(如图1所示)，但在变压器的动稳定性能上，长圆铁心变压器要差于圆形(椭圆形)铁心变压器(图2所示为标准椭圆形铁心)，但是圆形(椭圆形)铁心变压器成本又较高。所以，批量生产国网类配电变压器需要一种综合上述两者优点的结构。技术实现要素：本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种用于配电变压器的低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心及其辅助计算方法，产品质量好，市场竞争力强。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心，铁心为多级铁心片依次叠放构成，每级铁心片的截面均呈矩形，铁心整体截面成多级阶梯型，所述铁心的多级阶梯顶点外接图形为类椭圆形，所述类椭圆形包括两个相对设置的半圆弧和两个相对设置的侧长弧，所述两个相对设置的侧长弧分别与两个半圆弧相切连接，所述两个半圆弧的圆心均位于铁心截面的竖向中心线上。所述类椭圆形的侧长弧是通过长圆铁心的一、二级铁心片分解为三个以上的铁心片形成。所述长圆铁心的一级铁心片在分解之前向外偏距。低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心的辅助计算方法，将原始长圆铁心的一级铁心片向外偏距hn，并将一、二级铁心片分解为n个铁心片形成类椭圆铁心，所述类椭圆铁心的四段弧线相接点为a、b、c、d，所述原始长圆铁心的短轴为nn'，长轴为ll'，一级铁心片厚为o2o3＝2qn，二级铁心片厚为ap，其中o2和o3分别为一级铁心片上、下两端面的圆心，q为一级铁心片上端面圆周线上的点且qn垂直于短轴nn'，p为ac与一级铁心片上端面的交点，计算分解具体步骤如下：第一步，定义hq交qn角为∠β，根据数学三角函数得出第二步，定义类椭圆铁心的其中一个侧长弧的对应角为∠ao1c＝2∠α，其中o1为侧长弧的圆心，根据几何推理可得：∠α＝2∠β则：∠ao1c＝4∠β；第三步，连接ac并与nn'交点为m，则得侧长弧的拱高hm、弦长ac，根据数学三角函数，求得的半径r：ac＝2(ap+pm)＝2(ap+qn)可得：r＝(4hm2+ac2)/8hm；第四步，根据a、b、c、d及半径r绘得类椭圆铁心的两个侧长弧和并取得类椭圆铁心的图形尺寸；第五步，选择类椭圆铁心的n个铁心片宽度，并根据类椭圆铁心的图形尺寸、侧长弧半径和选取的各级铁心片宽度得到各级铁心片的厚度h。所述第五步得到各级铁心片的厚度h后，选择小于h的数值作为各级铁心片的实际厚度。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明中的铁心外接图形设计为类椭圆形，既有圆形和椭圆形绕组绕制时导线对模具的服贴，绕制时无需额外施加径向紧固力，变压器外部短路时不会因径向力的作用而使绕组松散和变形，又有长圆铁心节材方面的优势，且由于类椭圆由四段圆弧相切而成，方便了低压模具的制作。附图说明下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；图1为现有的长圆铁心的截面结构示意图；图2为现有的标准椭圆形铁心的截面结构示意图；图3为本发明提供的类椭圆铁心的截面结构示意图；图4为本发明提供的类椭圆铁心辅助计算示意图；图5为本发明提供的类椭圆铁心计算分解示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图3为本发明提供的类椭圆铁心的截面结构示意图，如图3所示，低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心，铁心为多级铁心片依次叠放构成，每级铁心片的截面均呈矩形，铁心整体截面成多级阶梯型，所述铁心的多级阶梯顶点外接图形为类椭圆形，所述类椭圆形包括两个相对设置的半圆弧和两个相对设置的侧长弧，所述两个相对设置的侧长弧分别与两个半圆弧相切连接，所述两个半圆弧的圆心均位于铁心截面的竖向中心线上。所述类椭圆形的侧长弧是通过长圆铁心的一、二级铁心片分解为三个以上的铁心片形成。所述长圆铁心的一级铁心片在分解之前向外偏距。低成本且抗短路能力强的类椭圆铁心的辅助计算方法，将原始长圆铁心的一级铁心片向外偏距hn，并将一、二级铁心片分解为n个铁心片形成类椭圆铁心，所述类椭圆铁心的四段弧线相接点为a、b、c、d，所述原始长圆铁心的短轴为nn'，长轴为ll'，一级铁心片厚为o2o3＝2qn，二级铁心片厚为ap，其中o2和o3分别为一级铁心片上、下两端面的圆心，q为一级铁心片上端面圆周线上的点且qn垂直于短轴nn'，p为ac与一级铁心片上端面的交点，计算分解具体步骤如下：第一步，定义hq交qn角为∠β，根据数学三角函数得出第二步，定义类椭圆铁心的其中一个侧长弧的对应角为∠ao1c＝2∠α，其中o1为侧长弧的圆心，根据几何推理可得：∠α＝2∠β则：∠ao1c＝4∠β；第三步，连接ac并与nn'交点为m，则得侧长弧的拱高hm、弦长ac，根据数学三角函数，求得的半径r：ac＝2(ap+pm)＝2(ap+qn)可得：r＝(4hm2+ac2)/8hm；第四步，根据a、b、c、d及半径r绘得类椭圆铁心的两个侧长弧和并取得类椭圆铁心的图形尺寸；第五步，选择类椭圆铁心的n个铁心片宽度，并根据类椭圆铁心的图形尺寸、侧长弧半径和选取的各级铁心片宽度得到各级铁心片的厚度h。所述第五步得到各级铁心片的厚度h后，选择小于h的数值作为各级铁心片的实际厚度。本发明是在原有长圆铁心的基础上，一级铁心片向外偏距一定距离，造一个人为的圆弧，如此，长圆铁心变为类椭圆铁心。一级铁心片向外偏距一定距离后，以此点为圆弧的顶点作一个侧长弧与长圆原有半圆弧相切。为更好解释本发明，下面结合附图及具体尺寸，以s13-400/10/0.4配电变压器用长圆铁心(直径135mm，主级105mm)，主级向外偏距6mm为例，说明类椭圆铁心是如何通过长圆铁心改进而来的，以及其与长圆铁心和椭圆铁心的区别。本发明中主级均指一级铁心片。如图1所示的现有长圆铁心，直径135mm，主级105mm的原始长圆铁心的片宽与片厚计算后见下表：序号123456789片宽13513012011010090806040片厚105181386.55464如图3所示，主级向外偏距6mm后，长圆形进化成类椭圆形，原始长圆铁心的短轴及长轴尺寸分别为：135mm、240mm，进化成类椭圆后，其短轴及长轴尺寸分别为：147mm、240mm。相应的，必须要对铁心片做出调整以符合类椭圆这种形状。因为原始长圆铁心截面较小，故考虑只将长圆铁心的第一级和第二级这两种铁心片分解成类椭圆铁心第一级、第二级及第三级这三种铁心片。相似的，如果要在稍大些容量采用此种结构，为保证铁心片与低压绕组间间隙不致过大，保证铁心截面的填充率，适应性地将长圆铁心的第一级和第二级这两种铁心片分解成类椭圆铁心的第一级、第二级、第三级、第四级、第五级这五种铁心片，更大容量如若采取此类结构以此类推，相似的更改均应在本发明保护范围之内。本发明将长圆铁心的主级向外偏距一定距离后，相切的侧长弧的半径如何确定以及如何将长圆铁心的第一级和第二级这两种铁心片分解成类椭圆铁心第一级、第二级及第三级这三种铁心片，需要在长圆的基础上作一定辅助线来方便计算，具体推导计算方法如下：由图4所示，类椭圆铁心可分解为四段圆弧相切而成，四段圆弧相交于a、b、c、d四点，长圆向外偏距hn＝6mm，原始长圆主级厚o2o3＝2qn＝2pm＝105mm，hq交qn角为β，对应的夹角为2α，根据数学三角函数，∠β＝6.52°，∠α＝2∠β＝13.04°，对应的角∠ao1c＝2∠α＝26.08°，对应的角∠ao2b＝180°－2∠α＝153.92°。为得到的半径r，必须先求得的拱高、弦长、弧长，再得到半径，如图4，o2q＝135/2＝67.5mm，ap＝15.23mm，aq＝ap/cosβ＝15.33mm，hq＝52.84mm，ah＝aq+hq＝68.17mm。∠ham＝∠β，如此，拱高hm＝ahsinβ＝7.74，弦长ac＝2(ap+pm)＝135.46。可得出的半径r＝300.19mm。综上所述，类椭圆铁心的尺寸都已经确定，则可绘出类椭圆铁心的轮廓图形，下一步再确定铁心各级片宽及片厚。由于偏距后类椭圆铁心的短轴及长轴尺寸分别为：147mm、240mm，取第一级铁心片宽为145mm，如图5所示，其对应的片厚即是的弦长，且的拱高为(147-145)/2＝1mm，其半径即为的半径，如此可以求得的弦长为48.96mm，为使片宽不至超出轮廓线而影响线圈套装，取其片厚h1为47mm。以此类推，取第二级片宽为140mm，其对应的弦长为91.41mm，同理，取弦长91mm，则其对应的片厚为h2＝(91-47)/2＝22mm。取第三级片宽为130mm，(147-130)/2＝8.5>6，说明此一级片宽已处于原始长圆的圆弧内，根据勾股定理，此级片宽对应的片厚为18.2mm，同理，为使片宽不至超出轮廓线而影响线圈套装而取h3＝18mm。此时，类椭圆铁心前两级铁心片叠厚为47+22×2＝91mm，而原始长圆铁心主级厚度为105mm，如此，第三级片宽还需增加片厚为105-91＝14mm，第三级片宽所对应的叠厚便为18+14/2＝25mm。后续铁心的片宽及叠厚等同于原始长圆铁心的片宽及叠厚。如图3所示，本发明提供的类椭圆铁心的片宽与片厚计算后见下表：序号12345678910片宽14514013012011010090806040片厚23.522251386.55464相应的，本发明所使用的模具也为类椭圆结构，绕制出来的线圈也为类椭圆结构，采用此铁心类型的配电变压器，经过权利机构的短路试验和国家电网的抽查，已全面通过各类试验，由于其兼具了长圆铁心结构变压器的节材优点，此结构变压器已经取得成功。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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。当前第1页12