CN101150006B - 一种非晶合金卷铁芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非晶合金卷铁芯及其制造方法，其非晶合金卷铁芯是由若干个不同截面形状卷绕形成的单框拼合而成，并使拼合后铁芯截面形状呈预定的准圆形、准多边形或复合形，又：该卷铁芯采用非晶合金材料或非晶合金和硅钢带二种材料制成。其中：以截面最大者为主框，该主框可以由非晶合金直带料连续卷绕而成，其余单框是由不同形状的硅钢带连续卷绕而成。另外，拼合后的铁芯可以是闭口卷铁芯，也可以是开口卷铁芯；拼合成的卷铁芯可以是单相卷铁芯、三相三柱平面卷铁芯或三相五柱平面卷铁芯，也可以是三相立体卷铁芯。本发明能够提高铁芯性能、节省材料和降低成本，并能够改善铁芯加工工艺性和提高变压器工作的可靠性。

Description

一种非晶合金卷铁芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种变压器制造技术，尤其指非晶合金卷铁芯及其制造方法。

背景技术

目前制作变压器铁芯的材料主要有硅钢带和非晶合金二种，非晶合金与硅钢带相比，是一种更节能的制造变压器铁芯的材料。

非晶合金是采用快速急冷凝固生产工艺，其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列，更利于被磁化和去磁。这种材料用于变压器铁芯，变压器磁化过程非常容易，从而大大降低变压器的空载损耗。从变压器的空载损耗降低程度来看，非晶合金带材是目前所有各种牌号的硅钢带不能相比的。

由于非晶合金带材比硅钢带薄得多，脆得多，且硬度几乎为硅钢带的5倍，因此变压器生产企业用于切割硅钢带的设备根本没有办法切割非晶合金带材。要想生产非晶合金变压器，必须向专业生产非晶合金铁芯的企业购买铁芯，而国内现有二家专业生产非晶合金铁芯的企业，也没有非晶合金的纵剪设备，只有带材切断设备。

目前非晶合金带材主要依赖进口，进口的非晶合金带材宽度尺寸规格很少，只有142cm、170cm、213cm三种，无法满足不同容量铁芯的要求，因此对于不同容量的铁芯需要不同截面积时，往往只能主要通过改变铁芯截面的矩形形状的厚度尺寸来实现。目前各种容量铁芯的横截面矩形的最大长宽比已经达到4。

因此，现有的非晶合金铁芯主要存在以下问题：

a、由于目前国外进口的非晶合金带材只有三种宽度的直带，因此做成的铁芯横截面形状只能是矩形一种，对于有些容量的铁芯横截面矩形的长宽比达到4，不能呈圆形或多边形。众所周知，同样截面积形状中圆的周长最小，矩形的周长较大，特别是长宽比越大，周长就越长。而周长长必然使变压器线圈的平均匝长就长，不但浪费宝贵的铜，而且会增加变压器的负载损耗和变压器温升。

b、由于目前非晶合金材料的铁芯，横截面只能是矩形，不能是圆形，因此线圈形状也只能是矩形，而不能是圆形。无法带铁芯绕线。因此铁芯只能做成开口式铁芯，而不能是闭口式铁芯。对于更适合采用闭口卷铁芯的小容量变压器也只能采用开口式卷铁芯。

c、开口式铁芯的开口部位材料要经过多次折弯，特别是材料经退火后的折弯，使材料增加应力，使铁芯的性能下降，空载损耗上升。

d、开口式铁芯开口部位非晶合金材料对接处存在空隙，以及拼合不够紧密等原因，噪声要比同容量闭口铁芯的噪声大。

e、开口部位非晶合金材料在闭合时，非晶合金材料受到弯曲，非晶合金材料表面容易脱落，产生鱼鳞片状物，这些片状物飘浮在变压器油中容易引起变压器故障，使变压器的安全性下降。

f、非晶合金材料由于太薄，所以做成的铁芯刚性很差，无法承受线包的重量，必须增加支承件来承受铁芯的重量，增加器身装配的难度。

g、非晶合金材料比较昂贵，材料来源单一，不利于大量推广。

综上所述，鉴于非晶合金材料是一种优点突出，但缺点也十分明显的材料，因此，如何提供一种新型组合截面非晶合金卷铁芯，保持这种材料优点，克服其缺点，是本申请人致力研究的内容之一。

发明的内容

本发明的目的在于提供一种能够提高铁芯性能、节省材料和降低成本的非晶合金卷铁芯及其制造方法，并能够改善铁芯加工工艺性和提高变压器工作的可靠性。

本发明所提供的一种非晶合金卷铁芯，其特征在于：该卷铁芯是由若干个不同截面形状卷绕形成的单框拼合而成，并使拼合后铁芯截面形状呈预定的准圆形、准多边形或复合形，又：该卷铁芯采用非晶合金材料或非晶合金和硅钢带二种材料制成。

在上述的非晶合金卷铁芯中，在所述若干个单框中，以截面最大者为主框，该主框是由非晶合金直带料连续卷绕而成，其余单框是由不同形状的硅钢带连续卷绕而成。

在上述的非晶合金卷铁芯中，不同形状的硅钢带是梯形带、弧形带或直带。

在上述的非晶合金卷铁芯中，若干个独立的单框采用套装方式并以单框贴合面相互紧密贴合固定，拼合形成铁芯整体。

在上述的非晶合金卷铁芯中，若干个相互拼合的单框为闭口单框，拼合后的铁芯是闭口卷铁芯。

在上述的非晶合金卷铁芯中，若干个相互拼合的单框为U形的开口单框，拼合后的铁芯为开口卷铁芯。

在上述的非晶合金卷铁芯中，若干个单框拼合成的卷铁芯为单相卷铁芯、三相三柱平面卷铁芯、三相五柱平面卷铁芯或三相立体卷铁芯。

本发明还提供了一种制造上述开口卷铁芯的方法，包括下列步骤：加工U形开口主框步骤：用非晶合金直带料用料带切断机按要求的长度尺寸进行切断，经成形夹具夹紧成U形，再经退火处理后形成U形开口主框；加工其它单框步骤，用硅钢带材料在专用的硅钢带折线开料机上进行各条梯形和/或圆弧形硅钢带的套裁加工，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按一定次序先后用氩弧焊连接起来，再在铁芯卷绕机上卷绕成闭口单框，再用专用割刀将闭口单框的轭部分层错位切割成开口单框，在夹具夹紧的条件下进行单框退火处理；拼合步骤：将非晶合金的主框和硅钢带的其它单框拼合成一个整体，形成一种以非晶合金材料为主由非晶合金和硅钢带共同组成的横截面为预定的不同截面形状组合而成的开口式单相卷铁芯，拼合时，各单框之间相互贴合面胶接在一起，并在芯柱部位用绑扎带将拼合在一起的各单框绑扎在一起。

本发明同时提供了一种制造上述三相三柱闭口平面卷铁芯的方法，包括下列步骤：加工非晶合金主框步骤：将非晶合金不同宽度的料带，在铁芯卷绕机上按尺寸要求卷绕成闭口的主框，进行退火处理，形成独立单框；加工其它单框步骤：按尺寸要求在专用的硅钢带折线开料机上硅钢带直条料套裁加工成各种尺寸的梯形料带，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按一定次序先后用氩弧焊连接起来，再在铁芯卷绕机上卷绕成单个闭合单框，经过退火处理形成独立单框；拼合步骤：先将各单框按要求拼合成为二小一大的三个单元框，再将三个单元框拼合成一个完整的三相三柱闭口平面卷铁芯，拼合后采用填料填充间隙。

本发明进一步提供了一种制造上述三相三柱立体闭口卷铁芯的方法，包括下列步骤：加工非晶合金主框步骤：将不同宽度的非晶合金料带在立体卷铁芯专用卷绕机上卷绕成闭合单框，再在夹具夹紧状态下进行退火处理，形成独立单框；加工其它单框步骤：用硅钢带直带料在专用的硅钢带折线开料机上套裁成梯形料带，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按次序先后用氩弧焊连接起来，再在立体卷铁芯卷绕机上卷绕成单个闭合单框，再进行退火处理，形成独立单框；拼合步骤：将各单框按要求相互套装拼合成单元框，再将三个单元框，组合在一起，相互贴合面之间垫绝缘纸，使三个单元框之间相互绝缘，将三个芯柱外表用绑扎带牢固扎紧，形成三相三柱立体闭口卷铁芯。

由于采用了上述的技术解决方法，本发明达到的效果主要体现在下列几方面。

1、提高性能

本发明除了空载损耗性能比现有非晶合金铁芯可能略有下降外，其它性能如：负载损耗，空载电流，噪声等都有明显减少，则其它性能有明显提高。

a、降低负载损耗：本发明的负载损耗比现有非晶合金铁芯变压器的负载损耗可下降10％左右。

b、降低空载电流：本发明的闭口卷铁芯变压器可比现有非晶合金变压器空载电流下降50％左右。

c、降低噪声：本发明的闭口卷铁芯变压器可比现有非晶合金变压器噪声可下降5～10分贝。

2、节省材料降低成本

a、节省铜材：由于本发明在铁芯芯柱截面积相同的情况下与目前现有非晶合金铁芯相比线圈平均匝长下降10％-25％，因此可以节省铜材10％-25％。

b、节省非晶合金材料：由于本发明部分非晶合金材料用硅钢带代替，故可节省10％-30％价格昂贵的非晶合金材料。

3、改善铁芯加工工艺性

由于本发明采用部分硅钢带材料代替非晶合金材料，增加了铁芯的刚度，使铁芯装夹，搬运等工艺性提高。

4、提高了变压器工作的可靠性

由于本发明可以做成闭口卷铁芯，不需要进行铁芯封口，因此材料不需要折弯，大大减少鱼鳞片状物的脱落。减少了因变压器内存在大量鱼鳞片状物造成变压器工作出现故障的可能性，提高了变压器工作的可靠性。

附图说明

通过以下对本发明的一种非晶合金卷铁芯及其制造方法的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1(a)是本发明非晶合金单相开口卷铁芯的结构示意图；

图1(b)是图1(a)中开口部分闭合后形成闭口卷铁芯的结构示意图；

图2(a)是本发明中组合成铁芯的各U形单框其不同形状横截面排布的分解示意图；

图2(b)是图2(a)中各U形单框其不同形状横截面组合后形成的铁芯横截面的示意图；

图3是本发明非晶合金三相三柱闭口平面卷铁芯的结构示意图；

图4是图3中的A-A剖面的分解示意图；

图5(a)是本发明中大单元框的横截面示意图；

图5(b)是本发明小单元框的横截面示意图；

图5(c)是图3中的B-B剖面的分解示意图；

图6是本发明中卷绕成单框的各种料带形状示意图；

图7是本发明非晶合金三相三柱立体闭口卷铁芯的结构示意图；

图8是本发明中每个单元框的横截面示意图；

图9(a)～(d)是每个单框的横截面形状的示意图，其中图9(c)为主框的横截面形状的示意图；

图10是本发明中卷绕成单框的各种料带形状示意图。

具体实施方式

分别以单相开口卷铁芯、三相三柱闭口卷铁芯、三相立体闭口卷铁芯为例，阐明本发明的具体内容。

1、实施例一：单相开口卷铁芯

如图1(a)所示，本发明所述的非晶合金单相开口卷铁芯10，如图1(b)所示，开口部分闭合后形成闭口卷铁芯10′。

该铁芯是由5个横截面形状不同的U形单框11、12、13、14、15组合而成。其中横截面积最大的U形单框15为主框，主框是用非晶合金材料制成，其余单框11、12、13、14用硅钢带材料制成。各个单框的横截面形状如图2(a)所示，主框横截面15′和其余单框横截面11′、12′、13′、14′组合后成为U形单相开口卷铁芯的横截面10″，形状如图2(b)。

各U形单框相互拼合时，可采用胶接，绑扎等方法，使其形成一个牢固的整体。

本发明的制造方法

U形开口主框的制造，用非晶合金直带料用料带切断机按要求的长度尺寸进行切断，经成形夹具夹紧成U形，再经退火处理后形成。该U形开口主框也可直接向非晶合金铁芯生产厂按尺寸定制。

其它单框制造：用硅钢带材料在专用的硅钢带折线开料机上进行各条梯形(也可以是圆弧形等其它形状)硅钢带的套裁加工，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按一定次序先后用氩弧焊连接起来，再在铁芯卷绕机上卷绕成闭口单框，再用专用割刀将闭口单框的轭部分层错位切割成开口单框，在夹具夹紧的条件下进行单框退火处理。

将非晶合金的主框和硅钢带的其它单框拼合成一个整体，形成一种以非晶合金材料为主，非晶合金和硅钢带共同组成的，横截面为多种不同截面形状组合而成的开口式单相卷铁芯。拼合时，各单框之间相互贴合面用环氧树脂将其牢固胶接在一起(也可用其它胶水或不用胶水)，在芯柱部位用绑扎带将拼合在一起的各单框紧紧绑扎在一起。

2、实施例二：三相三柱闭口平面卷铁芯

如图3所示，本发明所述的非晶合金三相三柱闭口平面卷铁芯，该铁芯20是由二个小单元框21、22和一个大单元框25组成。每个单元框都是由几个截面形状不同的闭口单框组合而成，如：大单元框25由三个单框251、252、253组成，小单元框22由三个单框221、222、223组成，并且每个单元框都有一个截面积较大的单框作为主框，如：大单元框的单框253，小单元框的单框223。主框是用非晶合金材料制成，其它截面积较小的单框用硅钢带制成。尤其是分别经过热处理退火后，形成各自独立的单框。

如图4所示，组成大单元框25的三个单框251、252、253，其不同形状的横截面251′、252′、253′，组合成大单元框25的横截面形状如图5(a)，其中，横截面253′为主框253的横截面，主框是用非晶合金材料制成，其它较小横截面251′、252′的单框251、252用硅钢带制成。

为了使三个单元框拼合成三相三柱闭口平面卷铁芯后其横截面形状接近圆形，参见图4，组成小单元框22的三个单框223、222、221的不同形状横截面223′、222′、221′排布与大单元框的三个单框的不同形状的横截面253′、252′、251′排布呈对称状态，组成小单元框22的横截面形状如图5(b)。

由此，三个单元框拼合成三相三柱闭口平面卷铁芯的横截面形状如图5(c)所示。

卷绕成单框的料带形状如图6所示，大单元框的主框253采用253″料带，单框251、252采用的料带分别为251″、252″；小单元框的主框223采用223″料带、单框221、222采用的料带分别为221″、222″。

本发明的制造过程：

非晶合金主框的制造，将非晶合金不同宽度的料带，在铁芯卷绕机上按尺寸要求卷绕成闭口的主框，进行退火处理，形成独立单框。

其它单框制造：按尺寸要求在专用的硅钢带折线开料机上硅钢带直条料套裁加工成各种尺寸的梯形料带，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按一定次序先后用氩弧焊连接起来，再在铁芯卷绕机上卷绕成单个闭合单框，经过退火处理形成独立单框。

先将各单框按要求拼合成三个(二小一大)单元框，再将三个单元框拼合成一个完整的三相三柱闭口平面卷铁芯。为了减少单框之间相互拼合的困难，各单框相互贴合面之间应留有微量间隙。拼合后采用环氧树脂(也可采用其它合适的胶水)填充这些间隙。当空隙偏大时，可以采用插入一定数量的硅钢带作为填充物，以减少空隙，并再用环氧树脂将剩余空隙填满。使各单框包括填充物一起牢固地连结成一个整体。为提高铁芯中各单框之间连结强度，还可在铁芯外表采用绑扎带扎紧。

实施例三：三相三柱立体闭口卷铁芯

如图7所示，本发明所述的三相三柱立体闭口卷铁芯，该铁芯是由形状相同或基本相同的三个闭口单元框30组合而成，每个单元框30的横截面如图8所示，每个单元框又由四个单框31、32、33、34拼合而成，四个单框中横截面积最大的单框33为主框，主框33是由非晶合金材料经卷绕退火后形成，其它单框31、32、34是由硅钢带经卷绕，退火后形成。每个单框的横截面形状如图9所示，组成各单框的各料带形状如图10所示，单元框的主框33采用33′料带、单框31、32、34采用的料带分别为31′、32′、34′。

本发明的制造方法：

非晶合金主框的制造，将不同宽度的非晶合金料带在立体卷铁芯专用卷绕机上卷绕成闭合单框，再在夹具夹紧状态下进行退火处理，形成独立单框。

其它单框的制造：用一定尺寸的硅钢带直带料在专用的硅钢带折线开料机上套裁成梯形料带，(也可以是弧形料带或直带)。将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按一定次序先后用氩弧焊连接起来，再在立体卷铁芯卷绕机上卷绕成单个闭合单框，再进行退火处理。形成独立单框。

将各单框按要求相互套装拼合成单元框，为了方便套装拼合，各单框拼合面之间应留有微量空隙，拼合后用环氧树脂或其它胶将空隙填满，使其相互牢固粘结成一个完整的单元框。

再将三个单元框，组合在一起，相互贴合面之间垫绝缘纸，使三个单元框之间相互绝缘，将三个芯柱外表用绑扎带牢固扎紧，形成三相三柱立体闭口卷铁芯。三个单元框之间也可用环氧树脂，绝缘漆，或其它胶水，将三个单元框牢固粘结在一起，形成一个整体铁芯。

综上所述，本发明卷铁芯具有下列特点：

a、本发明铁芯所用的材料，既可以全部是非晶合金带材，也可以以非晶合金带材为主，增加部分性能较好的硅钢带材料，二种材料组合一起。

b、铁芯芯柱横截面是由几种形状组合而成，组合后的截面形状呈准圆形，准多边形，也可以是二者组合的复合形。

c、这种铁芯可以是闭口卷铁芯，也可以是开口卷铁芯。

本发明“一种组合截面非晶合金卷铁芯”的优点：

a、节省材料。由于铁芯横截面形状由原来的矩形改变成非常接近于圆的准圆形，准多边形或复合形。使线圈的平均匝长变短，节省了铜材。另外，由于铁芯的部分材料改用硅钢带材料，少用了价格昂贵的非晶合金材料，从而降低了铁芯的制造成本。

b、提高了铁芯的性能。由于铁芯的横截面形状可以做成准圆截面形状，减少了线圈的平均匝长，降低了用铜量，降低了变压器铜损和发热，也就是降低了变压器的负载损耗和温升。

由于铁芯可以做成闭口卷铁芯，与同容量开口卷铁芯相比，可以降低铁芯的空载损耗和噪声。

c、做成闭口卷铁芯，铁芯不再需要封口，也就是非晶合金材料不再需要折弯，因此铁芯可以明显减少非晶合金的鱼鳞状剥落物，提高了变压器的安全性。

d、由于铁芯中增加了部分硅钢带，加强了铁芯的刚性，改善了铁芯固定的工艺性，减少了铁芯在搬运、运输、装夹过程中的变形。

需要说明的是：以上仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1. FF-2.接在一起，并在芯柱部位用绑扎带将拼合在一起的各单框绑扎在一起。
2. 8.一种制造权利要求6所述三相三柱平面卷铁芯的方法，包括下列步骤：

   加工非晶合金主框步骤：将非晶合金不同宽度的料带，在铁芯卷绕机上按尺寸要求卷绕成闭口的主框，进行退火处理，形成独立单框；

   加工其它单框步骤：按尺寸要求在专用的硅钢带折线开料机上硅钢带直条料套裁加工成各种尺寸的梯形料带，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按一定次序先后用氩弧焊连接起来，再在铁芯卷绕机上卷绕成单个闭合单框，经过退火处理形成独立单框；

   拼合步骤：先将各单框按要求拼合成为二小一大的三个单元框，再将三个单元框拼合成一个完整的三相三柱闭口平面卷铁芯，拼合后采用填料填充间隙。
3. 9.一种制造权利要求6所述三相立体卷铁芯的方法，包括下列步骤：

   加工非晶合金主框步骤：将不同宽度的非晶合金料带在立体卷铁芯专用卷绕机上卷绕成闭合单框，再在夹具夹紧状态下进行退火处理，形成独立单框；

   加工其它单框步骤：用硅钢带直带料在专用的硅钢带折线开料机上套裁成梯形料带，将已开裁好的各种规格的梯形硅钢带按次序先后用氩弧焊连接起来，再在立体卷铁芯卷绕机上卷绕成单个闭合单框，再进行退火处理，形成独立单框；

   拼合步骤：将各单框按要求相互套装拼合成单元框，再将三个单元框，组合在一起，相互贴合面之间垫绝缘纸，使三个单元框之间相互绝缘，将三个芯柱外表用绑扎带牢固扎紧，形成三相三柱立体闭口卷铁芯。

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