CN110136934A - 一种三相立体非圆形变压器器身结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相立体非圆形变压器器身结构包括一铁心和三个线圈，所述铁心包括三个水平截面为非圆形的铁心柱，三个所述线圈分别环绕三个所述铁心柱，三个所述线圈结构尺寸相同，且三个所述线圈的水平截面均为非圆形形状，三个所述线圈的水平截面均具有一弧形边，三个所述线圈外围定义一外接圆，且三个所述线圈的弧形边均与所述外接圆相切。采用三相立体非圆形变压器器身结构能够有效提高变压器的各项性能，并降低其制造成本。

Description

一种三相立体非圆形变压器器身结构

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，更准确的说涉及一种三相立体非圆形变压器器身结构。

背景技术

随着我国经济的不断发展，对环保的重视程度也不断提高。在变压器领域，随着变压器能效标准和提升计划的逐步实施，对变压器的能耗及噪声要求也进一步提高，如何研发和制造高效节能的变压器是整个变压器行业关注的焦点。传统的变压器大多为叠铁心结构，如图1所示，三相铁芯与线圈一字排列，铁芯、线圈呈圆形，冲裁片型产生废料，材料利用率95％左右，同等截面积S下铁芯重量较重，空载损耗较大，且三相磁路不对称，AC相磁路长B相磁路最短，三相不平衡，空载电流、损耗和三次谐波较大。平面圆形叠铁芯结构变压器，基本能满足S11型能效要求，也是目前绝大部分变压器厂家生产所采用的结构，由于本身结构特性，在降低损耗、节约材料等方面很难再有大的突破，虽然也可以做到S13型能效要求，但材料成本较高。目前S13型产品主流结构为立体三角形变压器，立体三角形圆形铁芯结构如下图2，A,B,C三相铁芯和线圈呈品字形对称排布，使之三相磁路完全对称平衡，谐波在各自相内有通路，降低了空载电流和三次谐波，同时结构紧凑，铁轭截面积为叠铁芯的一半，磁路L1＝L2＝L3，同等截面积S下铁芯重量较轻，空载损耗减小，但因线圈呈圆形分布，一方面限制了两相之间磁路不能缩短，多用了铁芯材料增加了空载损耗，另一方面也限制圆内铁芯截面积只能成矩形或双R型，同等圆内截面积填充率(S1/S2)较低，依据变压器设计原理，同等圆内铁芯所占截面积S1越小，铁芯磁密越高越容易饱和，导致单位铁芯损耗增加后空载损耗增加，而若要降低单位面积内磁通密度，需增加线圈匝数来弥补，从而又增加了线圈导线材料的重量，材料消耗更高，能效也越低；由于铁心截面积变化有限且线圈依旧是圆形，虽然同传统叠铁芯相比有优势，但并未完全发挥其最大优势，仍有改进余地。综上，通过改变变压器器身结构对变压器进行结构优化，可提升其各项性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三相立体非圆形变压器器身结构包括一铁心和三个线圈，所述铁心包括三个水平截面为非圆形的铁心柱，三个所述线圈分别环绕三个所述铁心柱，三个所述线圈结构尺寸相同，且三个所述线圈的水平截面均为非圆形形状，三个所述线圈的水平截面均具有一弧形边，三个所述线圈外围定义一外接圆，且三个所述线圈的弧形边均与所述外接圆相切。

为了达到上述目的，本发明提供一种三相立体非圆形变压器器身结构，包括一铁心和三个线圈，所述铁心包括三个水平截面为非圆形的铁心柱，三个所述线圈分别环绕三个所述铁心柱，三个所述线圈结构尺寸相同，且三个所述线圈的水平截面均为非圆形形状，三个所述线圈的水平截面均具有一弧形边，三个所述线圈外围定义一外接圆，且三个所述线圈的弧形边均与所述外接圆相切。

优选地，所述线圈的水平截面包括一体的一弧形部、一圆角部以及两个连接部，所述弧形部两端分别通过两个所述连接部与所述圆角部连接，所述线圈中部具有一圈心，所述弧形部远离所述圈心的边缘部与所述外接圆相切。

优选地，所述圈心与所述线圈的连接处具有一绝缘筒。

优选地，所述线圈采用导线绕制而成，所述导线包括铜带和涂覆在所述铜带表面的绝缘漆层。

优选地，所述导线绕制在所述绝缘筒表面，且所述导线分成若干组分别沿远离所述绝缘筒的方向叠加绕制，每组所述导线之间设置间隔绝缘层。

优选地，所述铁心包括三个铁心框，三个所述铁心框两两相邻的设置，所述铁心框具有互相平行的两个框边，每两个相邻的所述框边组合形成一铁心柱，六个所述框边形成三个所述铁心柱，三个铁心柱呈品字状平行排列，且三个铁心柱水平截面外部具有一铁心外切圆，且三个铁心柱的水平截面均具有与铁心外切圆重合的弧边。

优选地，两个所述框边水平截面相邻处的空隙形成一油道，所述弧边与所述油道相交处具有一缺口，所述铁心柱水平截面远离所述缺口的一端具有一倒角，所述铁心框由多层片层组合叠加构成。

优选地，所述铁心柱水平截面填充所述圈心水平截面，在所述铁心柱水平截面建立x轴、y轴坐标系，以所述铁心外接圆的圆心为坐标系原点，所述油道与所述x轴为所述坐标系原点，通过计算所述铁心柱中每个所述片层的水平截面端点坐标及每所述片层的面积，确定所述铁心柱水平截面的形状尺寸。

与现有技术相比，本发明公开的一种三相立体非圆形变压器器身结构的优点在于：通过对铁芯、线圈形状的改变及铁芯设备的重新设计改造，解决了立体三角铁芯截面积变化受限制的问题，扩大了运用立体变压器的容量范围；在同等性能参数要求下，立体非圆形变压器器身结构更紧凑重量更轻，体积更小，空载损耗低、空载电流小、对铁心的利用率高，制造成本较低，能效性能更优；立体非圆形变压器器身结构三个线圈通过隔板紧靠在一起，各方向有受力点且均衡，抗压力强，通过线圈自身结构就能有较强的抗短路能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为现有技术变压器的叠铁心结构的示意图。

如图2所示为现有技术变压器的三角立体圆形卷铁心结构的示意图。

如图3所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的俯视图。

如图4所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的线圈的俯视图。

如图5所示为现有技术变压器器身结构的导线的截面示意图。

如图6所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的导线的截面示意图。

如图7所示为现有技术变压器器身结构的线圈的截面示意图。

如图8所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的线圈的截面示意图。

如图9所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的铁心的俯视图。

如图10所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的铁心柱截面示意图。

如图11所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的铁心柱截面积计算的坐标图。

如图12所示为本发明一种三相立体非圆形变压器器身结构的铁心柱截面积计算的示意图。

具体实施方式

如3所示，本发明的一种三相立体非圆形变压器器身结构包括一铁心和一线圈组，所述铁心包括三个铁心柱20，三个所述铁心柱20结构尺寸相同，且三个所述铁心柱20均垂直于水平面互相平行的设置。三个所述铁心柱20的水平截面均为非圆形形状。三个所述铁心柱20的水平截面均具有一弧形边。所述线圈组包括三个线圈30，三个所述线圈30分别环绕三个所述铁心柱20，三个所述线圈30均垂直于水平面互相平行的设置。三个所述线圈30的形状尺寸相同，且三个所述线圈30的水平截面均为非圆形形状，且三个所述线圈30的水平截面均具有一弧形边。三个所述线圈30之间分别设置三个隔板40。三个所述线圈30外围定义一外接圆50，且三个所述线圈30的弧形边均与所述外接圆50相切。在面积相同的情况下，所述线圈30与所述外接圆50相切的弧形边越长，相应的所述外接圆50也越小，进而所述三相立体非圆形变压器器身结构得体积也越小，所需材料越少，器身填充利率也越大。

具体的，所述线圈30最终形成的心态与所述线圈30所选用的材料及其绕制工艺相关。所述三相立体非圆形变压器器身制造过程中，需要按照设计数据试制所述线圈30，再根据所述线圈30的形态确定所述铁心柱20的形态，制造所述铁心，再在制成后的所述铁心的三个所述铁心柱20上缠绕所述线圈30，并安装三个所述隔板40，形成所述三相立体非圆形变压器器身结构。

如图4所示，所述线圈30的水平截面包括一体的一弧形部31、一圆角部33、两个连接部34，所述弧形部31两端分别通过两个所述连接部34与所述圆角部33连接。所述线圈30中部具有一圈心32，所述圈心32与所述线圈30的连接处具有一绝缘筒302。所述圈心32中填充所述铁心柱20。所述弧形部31远离所述圈心32的边缘部与所述外接圆50相切。两个所述连接部34分别连接两个所述隔板40。

如图5所示为现有技术线圈导线9的截面示意图，线圈导线包括铜导线7和包覆在所述铜导线7外部的绝缘层8，所述铜导线7截面为长方形，厚度记为a，高度记为b。所述绝缘层8通常采用厚度为0.45mm的绝缘纸。现有技术的所述铜导线7厚度较大，且外部包覆的绝缘纸厚度也较厚，采用现有技术的线圈导线缠绕形成的线圈厚度较大。且在制造非圆形线圈时，现有技术的导线在绕制过程中结果模具的直线部分过渡至圆弧部分时会因为厚度较厚无法服帖的层层压紧，难以形成较长的弧形边。

如图6所示，所述线圈30采用导线301绕制而成，所述导线301包括铜带3011和涂覆在所述铜带3011表面的绝缘漆层3012。其中所述铜带3011的厚度记为c，高度记为d。所述铜带3011选取屈服极限δ0.2范围在140至160N/mm²的半硬铜带，从而保证所述导线301在绕制后不易反弹，同时增强了抗短路能力。所述绝缘漆层3012的厚度为0.1mm。与现有技术的导线相比，所述导线301中所述铜带3011的厚度c较小，缠绕后的厚度也较小，且所述绝缘漆层3012的厚度较小，能够满足在同等截面积(a*b＝c*d)和电气绝缘强度下，更好的使用于非圆形线圈绕制的需求。

如图7所示为为现有技术线圈绕制后的截面示意图，若干所述线圈导线9绕制在所述绝缘筒11表面，且所述线圈导线9沿远离所述绝缘筒11的方向重叠绕制多层，每层所述线圈导线9之间设置一间隔绝缘层10。每绕制一圈所述线圈导线9即需增加一层所述间隔绝缘层10，进一步增加了线圈的厚度。

如图8所示，本申请的所述导线301绕制在所述绝缘筒302表面，且所述导线301分成若干组分别沿远离所述绝缘筒302的方向叠加绕制，每组所述导线301之间设置间隔绝缘层302。有效减少了所述导线301绕制的厚度

如图9和图10所示，所述铁心包括三个铁心框10，三个所述铁心框10结构尺寸相同，且三个所述铁心框10两两相邻的设置，三个所述铁心框10的纵向截面为类三角形。具体的，所述铁心框10具有互相平行的两个框边11，所述铁心框10由多层片层111组合叠加构成，每两个相邻的所述框边11组合形成一铁心柱20，六个所述框边11共形成三个所述铁心柱20。三个所述铁心柱20的结构尺寸相同。三个所述铁心柱20的水平截面外围定义一铁心外接圆21，三个所述铁心柱20的水平截面均部分与所述铁心外接圆21相切。三个所述铁心柱20的水平截面形状尺寸相同，且三个所述铁心柱20的水平截面均为非圆形形状，所述铁心柱20水平截面具有弧边与所述铁心外接圆21相切。具体的，所述铁心柱20由两个所述框边11紧邻设置组成，两个所述框边11相邻处的空隙形成一油道202。所述铁心柱20水平截面与所述弧形部31接触处具有一弧边201。所述弧边201与所述油道202相交处具有一缺口203。所述铁心柱20远离所述缺口203的一端具有一倒角204。组成所述框边11的每一层所述片层111截面均为四边形，所述片层111截面共同构成所述铁心柱20截面。为了使所述铁心柱20尽可能填满所述圈心302，所述铁心柱20在设计制造时，需要根据所述圈心32的水平截面形态来确定每层所述片层111的形状尺寸，再将所有所述片层111组装在一起形成三个所述铁心框10，再将三个所述铁心框10组合在一起形成三个所述铁心柱20。

为了确定所述铁心柱20的水平截面面积及组成所述铁心柱20的各所述片层111的形状尺寸，需要计算求出组成所述铁心柱20的所述框边11的形状尺寸，进一步需要计算求出组成所述框边11的所述片层111的形状尺寸。参考图11和图12，具体计算方法如下。

首先在所述片层111水平截面建立x轴、y轴坐标系，以所述铁心外接圆21的圆心为坐标系原点。所述油道202宽度设为u，所述油道202截面具有一中轴线，所述中轴线与x轴的夹角为60°。每层所述片层111的较长边均与x轴平行。所述铁心外接圆21半径设为R。所述框边11水平截面上定义一半径为r的小圆，且所述小圆与所述铁心外接圆21相切，同时所述小圆与所述框边11朝向所述窗口13的侧边相切。所述倒角204的半径为dr。所述小圆与所述弧边201的相交点记为D，D沿x轴方向与所述油道201的相交点记为AD。图7中A、A1、A2、A3、Am、AE1、AE均为各个所述片层111与所述油道202的相交点，图7中的B、C、F、F1、F2、F3、Fm、E1、E均为各个所述片层111位于所述铁心柱20水平截面外围的相交点。由于所述框边11的所述片层111层数不固定，在计算上述各点在坐标系中的坐标时需根据情况进行确定。

如图8所示，每层所述片层111的水平截面的层高由δn表示，依次为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δm，所有所述片层的总层厚为δ。所述片层111连接处的层宽由B表示，依次为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、Bn。其中Bn为最小，即为Bmin，其余层宽中最大的记为Bmax。

具体的，据铁心材料确定可定制造所述片层111的料带厚度为Ph，所述框边11水平截面的面积通过如下方式进行计算。

所述油道202的中轴线直线方程为：

y＝tan60°x(1)

所述油道202与所述框边11交界线的直线方程为:

y＝tan60°x-(u/2)/cos60° (2)

记所述倒角204的圆心坐标为dr(x_dr,y_dr)，则所述倒角的方程为：

(x-x_dr)²+(y-y_dr)²＝dr² (3)

结合方程(2)和(3)可计算出A的坐标值A(x_A,y_A)。

所述铁心外接圆21的方程为：

x²+y²＝R² (4)

由于所述小圆与所述铁心外接圆21相切，可通过方程(4)及小圆半径计算得到所述小圆圆心坐标r(x_or,y_or)，以及所述小圆的方程为：

(x-x_or)²+(y-y_or)²＝r² (5)

结合方程(4)和(5)可计算出D的坐标值D(x_D,y_D)。

由于所述小圆同时与BC边相切，可进一步计算出坐标B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)、F(x_F,y_F)及层高δ1和层宽B1、B2。

由Bmin的值结合方程(2)和(4)，可求得E(x_E,y_E)、AE(x_AE,y_AE)。

由于B1+B2＝B7+Bn，在A、B、C、F、E、AE坐标已知的情况下，可计算得到B7，结合方程(2)和(4)，可求得E1(x_E1,y_E1)、AE1(x_AE1,y_AE1)。

在已知上述点的坐标时，可计算出δ、δ1、δm。

在已知上述数据的情况下，可计算ABCF层的中线长C_P1，Bmin层的中线长C_Pn。

进而可计算，ABCF层的料带总长：L_P1＝1.5×C_P1×(δ₁/Ph)；

Bmin层的料带总长：L_Pn＝1.5×C_P1×(δ_n/Ph)；

各片层料带总长：L_P＝L_P1+L_Pn/2；中间料带中线长为C_P中；中间料带总长为L_P中；中间料带可分组数：N＝L_P中/L_P(进位取整)。

根据上述相关公式及求得的数据，可求得每个所述片层111的层厚、层宽以及各个点的坐标。根据这些数据可求得每个所述片层111的水平截面面积，进而求得所述框边11水平截面的面积。同时可通过各个点的坐标确定所述框边11的形态。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，包括一铁心和三个线圈，所述铁心包括三个水平截面为非圆形的铁心柱，三个所述线圈分别环绕三个所述铁心柱，三个所述线圈结构尺寸相同，且三个所述线圈的水平截面均为非圆形形状，三个所述线圈的水平截面均具有一弧形边，三个所述线圈外围定义一外接圆，且三个所述线圈的弧形边均与所述外接圆相切。

2.如权利要求1所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，所述线圈的水平截面包括一体的一弧形部、一圆角部以及两个连接部，所述弧形部两端分别通过两个所述连接部与所述圆角部连接，所述线圈中部具有一圈心，所述弧形部远离所述圈心的边缘部与所述外接圆相切。

3.如权利要求2所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，所述圈心与所述线圈的连接处具有一绝缘筒。

4.如权利要求1所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，所述线圈采用导线绕制而成，所述导线包括铜带和涂覆在所述铜带表面的绝缘漆层。

5.如权利要求4所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，所述导线绕制在所述绝缘筒表面，且所述导线分成若干组分别沿远离所述绝缘筒的方向叠加绕制，每组所述导线之间设置间隔绝缘层。

6.如权利要求2所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，所述铁心包括三个铁心框，三个所述铁心框两两相邻的设置，所述铁心框具有互相平行的两个框边，每两个相邻的所述框边组合形成一铁心柱，六个所述框边形成三个所述铁心柱，三个铁心柱呈品字状平行排列，且三个铁心柱水平截面外部具有一铁心外切圆，且三个铁心柱的水平截面均具有与铁心外切圆重合的弧边。

7.如权利要求6所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，两个所述框边水平截面相邻处的空隙形成一油道，所述弧边与所述油道相交处具有一缺口，所述铁心柱水平截面远离所述缺口的一端具有一倒角，所述铁心框由多层片层组合叠加构成。

8.如权利要求7所述的三相立体非圆形变压器器身结构，其特征在于，所述铁心柱水平截面填充所述圈心水平截面，在所述铁心柱水平截面建立x轴、y轴坐标系，以所述铁心外接圆的圆心为坐标系原点，所述油道与所述x轴为所述坐标系原点，通过计算所述铁心柱中每个所述片层的水平截面端点坐标及每所述片层的面积，确定所述铁心柱水平截面的形状尺寸。