立体三角形卷铁心及其制备方法、立体卷铁心变压器与流程

1.本发明具体涉及一种立体三角形卷铁心及其制备方法、立体卷铁心变压器。


背景技术：

2.近年来，城市轨道交通以其快捷安全的优势，在我国大中城市得到快速发展。作为提供轨道交通车辆举引直流电源的关键设备-牵引整流变压器的用量急剧增加，这也为广大变压器生产厂家提供了大量的市场机会。牵引变压器的特性是负载波动较大，机车大部分时间都是轻载或空载运行，空载损耗的消耗占整个牵引变压器的能耗占比较大。因此降低空载损耗对整个牵引变压器能耗降低的意义就更大。而采用传统叠片式铁芯工艺及结构生产变压器类产品，若要降低空载损耗、提高能效等级只有靠多消耗材料或提高材料本身性能才能实现，随着能效等级的提升，传统叠片式变压器即使增加材料用量，也是很难达到更高的能效等级。必须在铁芯结构上进行变革才能实现这个目标。
3.传统干式整流变压器存在以下不足：
4.1.传统干式整流变压器由于铁心为平面排列叠片式结构，如图1所示，其三相磁路不一致，中间b相磁路最短，而两侧a相、c相磁路较长，由于磁阻大小和磁路长短成正比，因此导致三相空载电流不平衡，从而对电网有所污染，不属于节能范畴的产品。并且，上述结构一般采用宽度大的非晶合金带材制备，在合上铁轭时容易产生非晶碎片，存在质量隐患。
5.2.受闭口卷铁心结构限制，传统卷铁心变压器线圈绕制时需要专用的绕线设备，并且要带着铁心进行绕线，绕线工序困难、复杂、生产效率低。线圈维护方面更是非常困难，变压器一旦线圈出现故障，就无法从铁芯上取下来进行更换，必然造成整个变压器的报废。特别是对于35kv以上电压等级、大容量或特种变压器在使用卷铁心结构时更加困难。
6.现有技术开发了立体三角形卷铁心变压器，这种结构可使三相磁路完全对称，节电效果显著，有利于增强产品的竞争力。但现有的立体三角形卷铁心采用渐开线嵌套方式制备，每种容量产品至少需要纵剪成7种宽度的带材，因而标准化程度和生产效率低。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种提高生产效率的立体三角形卷铁心，还相应提供该立体三角形卷铁心的制备方法，以及具有该立体三角形卷铁心的立体卷铁心变压器。
8.解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
9.本发明提供一种立体三角形卷铁心，包括：三个矩形框架铁心，三个矩形框架铁心竖向布置且两两拼合形成所述立体三角形卷铁心，
10.所述矩形框架铁心包括多个矩形单框，且多个矩形单框沿矩形单框的厚度方向依次相连，所述矩形框架铁心为关于矩形单框长度方向和宽度方向中心面均对称的面对称空间结构，
11.多个矩形单框的内框长度均相等，且沿堆叠方向多个矩形单框沿矩形单框长度方
向的两个内表面分别平齐，
12.多个矩形单框的内框宽度沿堆叠方向先递减后递增，
13.多个矩形单框的外框宽度和外框长度均沿堆叠方向分别递增后递减，
14.以使矩形框架铁心的心柱横截面近似半圆形、矩形框架铁心的铁轭横截面近似三角形，且心柱横截面和铁轭横截面的面积相等，
15.相邻两个矩形框架铁心拼合后的心柱横截面近似圆形。
16.可选地，所述矩形单框为中空矩形框结构，其包括多根非晶合金带材，每根非晶合金带材的首尾两端搭接形成矩形片，多个矩形片沿中空矩形框结构的中空腔的周向搭接，以形成所述矩形单框；每根非晶合金带材由多片非晶合金片沿非晶合金带材的厚度方向堆叠形成。
17.可选地，所述矩形框架铁心的外周涂覆有环氧树脂，且相邻两个矩形单框通过环氧树脂粘接。
18.可选地，相邻两个矩形框架铁心的拼合面设有绝缘结构。
19.可选地，所述绝缘结构包括环氧玻璃布板，以及设于环氧玻璃布板两个侧表面的绝缘柔性硅橡胶板。
20.可选地，每个矩形框架铁心的上铁轭设有倾斜的断口，以便装配时将线圈套入立体三角形卷铁心的心柱上。
21.本发明还提供一种立体三角形卷铁心的制备方法，包括以下步骤：
22.s1：将多个矩形单框沿矩形单框的厚度方向依次相连，以形成关于矩形单框长度方向和宽度方向中心面均对称的矩形框架铁心，且，
23.多个矩形单框的内框长度均相等，且沿堆叠方向多个矩形单框沿矩形单框长度方向的两个内表面分别平齐，
24.多个矩形单框的内框宽度沿堆叠方向先递减后递增，
25.多个矩形单框的外框宽度和外框长度均沿堆叠方向分别递增后递减，
26.以使矩形框架铁心的心柱横截面近似半圆形、矩形框架铁心的铁轭横截面近似三角形，且心柱横截面和铁轭横截面的面积相等，
27.s2：将三个矩形框架铁心竖向布置且两两拼合形成立体三角形卷铁心，所述立体三角形卷铁心中，相邻两个矩形框架铁心拼合后的心柱横截面近似圆形。
28.可选地，所述步骤s1之前包括：采用非晶合金片制备中空矩形框结构的矩形单框，具体包括：
29.将多片非晶合金片堆叠形成非晶合金带材，将每根非晶合金带材的首尾两端搭接形成矩形片，将多个矩形片沿中空矩形框结构的中空腔的周向依次连接，以形成所述矩形单框。
30.本发明还提供一种立体卷铁心变压器，包括三组绕组，以及上述的立体三角形卷铁心，三组绕组分别套设于所述立体三角形卷铁心的三相心柱上。
31.可选地，所述绕组包括内圈阀侧绕组和外圈网侧绕组，所述内圈阀侧绕组套设于所述立体三角形卷铁心对应的心柱上，所述外圈网侧绕组套设于相应的内圈阀侧绕组上。
32.可选地，还包括框架结构，所述框架结构套设于立体三角形卷铁心上，用于将三个矩形框架铁心紧固为一体。
33.可选地，所述框架结构包括上框架和下框架，所述上框架套设在所述立体三角形卷铁心的上部，所述下框架套设在所述立体三角形卷铁心的下部，所述绕组位于上框架和下框架之间；
34.可选地，所述上框架和各绕组之间设有上垫块，所述下框架和各绕组之间设有下垫块。
35.本发明的立体三角形卷铁心，首次采用多个矩形单框堆叠形成，通过对多个矩形单框的尺寸进行设计，以保证矩形框架铁心的心柱横截面近似半圆形，从而矩形框架铁心两两拼合后形成的立体三角形卷铁心的心柱截面近似圆形，满足磁通密度的计算要求，从而实现了立体三角形卷铁心的高效制备。
附图说明
36.图1为现有传统技术的干式牵引整流变压器中平面铁心的结构示意图；
37.图2为本发明实施例1提供的立体三角形卷铁心的立体结构示意图；
38.图3为本发明实施例1提供的立体三角形卷铁心的俯视结构示意图；
39.图4为本发明实施例1提供的矩形框架铁心的主视结构示意图；
40.图5为本发明实施例1提供的矩形框架铁心的侧视结构示意图；
41.图6为本发明实施例1提供的矩形框架铁心的俯视结构示意图；
42.图7为本发明实施例1提供的矩形单框的主视结构示意图；
43.图8为本发明实施例1提供的矩形单框的侧视结构示意图；
44.图9为本发明实施例2提供的立体卷铁心变压器的立体结构示意图；
45.图10为本发明实施例2提供的立体卷铁心变压器的绕组结构排列示意图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.本发明提供一种立体三角形卷铁心，包括：三个矩形框架铁心，三个矩形框架铁心竖向布置且两两拼合形成所述立体三角形卷铁心，
51.所述矩形框架铁心包括多个矩形单框，且多个矩形单框沿矩形单框的厚度方向依次相连，所述矩形框架铁心为关于矩形单框长度方向和宽度方向中心面均对称的面对称空间结构，
52.多个矩形单框的内框长度均相等，且沿堆叠方向多个矩形单框沿矩形单框长度方向的两个内表面分别平齐，
53.多个矩形单框的内框宽度沿堆叠方向先递减后递增，
54.多个矩形单框的外框宽度和外框长度均沿堆叠方向分别递增后递减，
55.以使矩形框架铁心的心柱横截面近似半圆形、矩形框架铁心的铁轭横截面近似三角形，且心柱横截面和铁轭横截面的面积相等，
56.相邻两个矩形框架铁心拼合后的心柱横截面近似圆形。
57.本发明还提供一种立体卷铁心变压器，包括三组绕组，以及上述的立体三角形卷铁心，三组绕组分别套设于所述立体三角形卷铁心的三相心柱上。
58.实施例1：
59.如图2和图3所示，本实施例提供一种立体三角形卷铁心，包括：三个矩形框架铁心1，三个矩形框架铁心1竖向布置且两两拼合形成立体三角形卷铁心，
60.如图4-图6所示，矩形框架铁心1包括多个矩形单框8，且多个矩形单框8沿矩形单框8的厚度方向依次相连，矩形框架铁心1为关于矩形单框8长度方向和宽度方向中心面均对称的面对称空间结构，
61.如图7所示，多个矩形单框8的内框长度h1均相等，且沿堆叠方向多个矩形单框8沿矩形单框8长度方向的两个内表面分别平齐，
62.多个矩形单框8的内框宽度w1沿堆叠方向先递减后递增，
63.多个矩形单框8的外框宽度w2和外框长度h2均沿堆叠方向分别递增，
64.以使矩形框架铁心1的心柱81横截面近似半圆形、矩形框架铁心1的铁轭横截面近似三角形，且心柱横截面和铁轭横截面的面积相等，
65.相邻两个矩形框架铁心1拼合后的心柱横截面近似圆形。
66.上述的立体三角形卷铁心，首次采用多个矩形单框8堆叠形成，通过对多个矩形单框8的尺寸进行设计，以保证矩形框架铁心1的心柱横截面近似半圆形，从而矩形框架铁心1两两拼合后形成的立体三角形卷铁心的心柱截面近似圆形，满足磁通密度的计算要求，从而实现了立体三角形卷铁心的高效制备。
67.此外，立体三角形卷铁心的芯柱的截面接近圆形，不仅方便线圈绕制，且也能提高抗短突性能。
68.经上述方式堆叠形成的矩形框架铁心1，从其外观上来看，其上铁轭的下端和下铁轭的上端均为平面，而上铁轭的上端、下铁轭的下端、以及铁芯柱的左右两端均为阶梯形状。
69.此外，如图8所示，各矩形单框8的高度d相同。铁芯饼个数可视设计参数需求设置，例如10-20个。
70.本实施例中，单个矩形框架铁心1共由12个矩形单框8堆叠形成，各级矩形单框8的尺寸如表1所示：
71.表1单个矩形框架铁心的各级矩形单框的尺寸表
[0072][0073][0074]
本实施例中，矩形单框8为具有内外圆角的中空矩形框结构，其包括多根非晶合金带材，每根非晶合金带材的首尾两端搭接形成矩形片，多个矩形片沿中空矩形框结构的中空腔的周向依次连接，以形成矩形单框8；每根非晶合金带材由15-40片非晶合金片沿非晶合金带材的厚度方向堆叠形成。非晶带材的标准程度高，因此生产效率进一步提高。且铁心采用d形轭结构减少了铁心带材用量。
[0075]
优选地，相邻矩形片接缝形式采用阶梯搭接式，分布式排列。
[0076]
每个矩形单框8采用1-2种宽度的非晶合金带材制成，非晶合金带材的宽度为15-30mm。
[0077]
非晶合金立体卷铁心打破了传统非晶合金平面卷铁心结构的局限性，将立体卷铁心结构与非晶合金低损耗特性结合，具有铁心强度高、抗短路能力强、温升均匀、低噪音、低损耗、节材节能、漏磁小的优势。
[0078]
目前普通非晶合金变压器由于结构原因，存在比较多的问题：一是抗短路能力较差；二是噪声高不易控制；三是空载损耗不易控制；四是非晶碎片较多，在装配过程中会有较小非晶碎片遗留在器身内部，长期运行过程中这些碎片会不断移动，给运行安全造成隐患。而将非晶变压器铁心及线圈由现行的矩形结构改为圆形结构，目前可行的操作方案是将现行的非晶合金变压器铁心由三相四框五柱改为立体卷铁心结构，一方面能够解决非晶合金变压器抗短路性能差的问题，另一方面铁心采用卷铁心后，变压器的噪声问题、非晶碎片问题也随之解决，技术优势非常显著。第三，在成本方面，采用非晶立体卷铁心结构后，在同等性能的情况下，非晶立体卷铁心变压器材料成本要比常规非晶变压器成本平均降低6％左右，经济性方面优势明显。
[0079]
此外，矩形单框8的外表面绕设有薄硅钢带，用以实现防护隔离。
[0080]
本实施例中，矩形框架铁心1的外周涂覆有环氧树脂，且相邻两个矩形单框8通过环氧树脂粘接。
[0081]
相邻矩形单框8之间通过绝缘的环氧树脂进行粘结，从而加强了矩形框架铁心1的结构强度，提升抗突短能力，并且两两矩形框架铁心1组合成圆形后外周涂覆有环氧树脂以完成整体封装。
[0082]
本实施例中，相邻两个矩形框架铁心1的拼合面设有绝缘结构，以实现矩形框架铁心1之间的绝缘隔离减振，防止三个矩形框架铁心1之间出现多点接地故障。
[0083]
本实施例中，绝缘结构包括环氧玻璃布板，以及设于环氧玻璃布板两个侧表面的绝缘柔性硅橡胶板。此外，在铁轭和芯柱处均设置绑扎带(如电工带或聚脂带)固定。
[0084]
本实施例中，每个矩形框架铁心1的上铁轭82设有倾斜的断口10，以便装配时将线圈套入立体三角形卷铁心的心柱上。具体地，每个矩形框架铁心1的每层矩形单框8上均设计一处断口位置，整个立体三角形卷铁心便可以在断口处将上铁轭打开，在绝缘装配时可将线圈套入心柱，在安装框架结构后，上铁轭在框架结构的紧固作用下闭合。
[0085]
由此，制作绕组时无需专用的绕线设备，也不需要带着铁心进行绕线，只需将采用普通绕线设备绕制好的绕组从断口处套入铁心柱即可，避免了线圈绕制过程中特殊设备、模具的制约，一旦线圈出现故障，还可以将故障线圈从铁心上取下进行更换，避免了整个变压器的报废。这种方案不仅解决了线圈绕制和维护的问题，还提高了生产效率。
[0086]
实施例2：
[0087]
本实施例提供一种实施例1的立体三角形卷铁心的制备方法，包括以下步骤：
[0088]
s1：采用非晶合金片制备矩形单框8，该矩形单框8为具有倾斜的断口10和外圆角的中空矩形框结构，具体包括：
[0089]
将15-40片非晶合金片堆叠形成非晶合金带材，将每根非晶合金带材的首尾两端搭接形成矩形片，将1-2种宽度的多个矩形片沿中空矩形框结构的中空腔的周向依次连接，以形成矩形单框8。且在矩形单框8的外表面缠绕薄硅钢带，用以实现防护隔离。
[0090]
s2：采用绝缘的环氧树脂将多个矩形单框8沿矩形单框8的厚度方向依次粘接，以形成关于矩形单框8长度方向和宽度方向中心面均对称的矩形框架铁心1，且在矩形框架铁心1的外周涂覆绝缘的环氧树脂。其中，
[0091]
多个矩形单框8的内框长度均相等，且沿堆叠方向多个矩形单框8沿矩形单框8长度方向的两个内表面分别平齐，
[0092]
多个矩形单框8的内框宽度沿堆叠方向先递减后递增，
[0093]
多个矩形单框8的外框宽度和外框长度均沿堆叠方向分别递增后递减，
[0094]
以使矩形框架铁心1的心柱81横截面近似半圆形、矩形框架铁心1的铁轭82横截面近似三角形，且心柱81横截面和铁轭82横截面的面积相等。
[0095]
s3：将三个矩形框架铁心1竖向布置且两两拼合形成立体三角形卷铁心，立体三角形卷铁心中，相邻两个矩形框架铁心1拼合后的心柱横截面近似圆形。
[0096]
拼合时，在相邻两个矩形框架铁心1的拼合面设绝缘结构，以实现矩形框架铁心1之间的绝缘隔离减振，防止三个矩形框架铁心1之间出现多点接地故障。
[0097]
绝缘结构包括环氧玻璃布板，以及设于环氧玻璃布板两个侧表面的绝缘柔性硅橡胶板。此外，在铁轭和芯柱处均设置绑扎带(如电工带或聚脂带)固定。
[0098]
实施例3：
[0099]
如图9所示，本实施例提供一种立体卷铁心变压器，包括三组绕组，以及实施例1的立体三角形卷铁心，三组绕组分别套设于立体三角形卷铁心的三相心柱上。
[0100]
开口式立体三角形非晶合金卷铁心干式牵引整流变压器的三相磁路完全对称，故三相空载电流完全平衡，电压波形好，对电网无污染；而且开口式立体三角形非晶合金卷铁心干式牵引整流变压器的三相磁路为最理想的立体三角形，三相磁路长度和磁阻均一致且最短，相比于现有的叠片式铁心结构的整流变压器，空载损耗小、能源消耗低，具有节能的效果，制造成本较低。
[0101]
本发明的开口式立体三角形非晶合金卷铁心干式牵引整流变压器是一种环保节能型产品，具有受热冲击能力强、过载能力大、无可燃性树脂、难燃以及紧急过负载能力强，修理维护方便，对湿度、灰尘不敏感，不开裂，性能安全可靠的特点。
[0102]
本实施例的开口式立体三角形非晶合金卷铁心干式牵引整流变压器，主要应用于轨道交通，24脉波牵引整流变电站的主变一般都是由两台12脉波的轴向双分裂式干式牵引整流变压器组成的。两台变压器的网侧绕组采用延边三角形接线分别移相士7.5
°
相位角，阀侧绕组采用d、y接法，两台变压器的阀侧绕组的线电压相量互差15
°
相位，经全波整流后并联运行，形成12相24脉波的整流变电系统。每台十二脉波整流变压器均与一台整流器相匹配，该整流器由两个三相六脉波整流桥组成，且两个三相六脉波整流桥并联构成六相十二脉波的整流变电系统，相应地，分别与两台十二脉波整流变压器相匹配的两台整流器构成十二相二十四脉波整流变电系统。
[0103]
每台十二脉波整流变压器的器身外形为三角形，其包括三相开口式立体三角形非晶合金卷铁心和依次套设于每相心柱上的内圈阀侧绕组4和外圈网侧绕组5，所述开口式立体三角形非晶合金卷铁心干式牵引整流变压器采用三个独立的矩形框架铁心1拼合而成的三角对称立体式结构，即三个矩形框架铁心1按照三角形排列，优选按照等腰三角形排列，每个矩形框架铁心1上设置有1个断口10，并在所述断口10处可开合，从而能使矩形框架铁心1沿断口接缝打开、闭合。
[0104]
从而在生产线圈时无需专用的绕线机，线圈可单独绕制，在装配或维修线圈时可将断口接缝区的断口接缝层层打开以完成线圈更换，从而提高生产效率，维修方便；而且由于无需专用卷铁心设备及特制的浇注模具，生产投入设备资金少，可大幅降低生产厂家技术改造资金投入。
[0105]
本实施例中，绕组包括内圈阀侧绕组4和外圈网侧绕组5，内圈阀侧绕组4套设于立体三角形卷铁心对应的心柱81上，外圈网侧绕组5套设于相应的内圈阀侧绕组4上。
[0106]
如图10所示，每相心柱上依次套设的内圈阀侧绕组4和外圈网侧绕组5都分裂为上、下两段，形成轴向分裂四绕组结构，其中，内圈阀侧绕组4分裂为内圈阀侧上段绕组41和内圈阀侧下段绕组42，外圈网侧绕组5包括外圈网侧主绕组51和外圈网侧移相绕组52，外圈网侧主绕组51分裂为外圈网侧上段主绕组和外圈网侧下段主绕组，外圈网侧移相绕组52分裂为外圈网侧上段移相绕组和外圈网侧下段移相绕组。
[0107]
外圈网侧绕组的主绕组和移相绕组分接抽头及出线可按不规则出线方式设置，便于联接。
[0108]
本实施例中，还包括框架结构，框架结构套设于立体三角形卷铁心上，用于将三个
矩形框架铁心1紧固为一体。
[0109]
本实施例中，框架结构包括上框架2和下框架7，上框架2套设在立体三角形卷铁心的上部，下框架7套设在立体三角形卷铁心的下部，绕组位于上框架2和下框架7之间；
[0110]
上框架2和各绕组之间设有上垫块3，下框架7和各绕组之间设有下垫块6。从而起到固定内圈阀侧绕组和外圈网侧绕组、以及绝缘的作用。
[0111]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。