單相變壓器及同類器具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種電工技術(shù)領(lǐng)域中電流持續(xù)變化的靜止裝置。具體的是指單相變壓器及同類器具。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的變壓器及同類器件都是由絕緣導(dǎo)線繞成螺線管線圈及由硅鋼片迭裝為合理的磁路而成。單相變壓器的外觀見圖1。其中a是鐵心式變壓器，b是鐵殼式變壓器。單相變壓器的結(jié)構(gòu)原理見圖2。
[0003]變壓器的鐵芯是用優(yōu)質(zhì)的硅鋼片迭裝而成。迭裝的接縫多，見圖6。(參見《變壓器的應(yīng)用與維修》第二章變壓器的結(jié)構(gòu)2.1節(jié)鐵心。鄭景清，鄭樹人編著。上海科學(xué)技術(shù)出版社1993年9月。)不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，還需要額外的綁扎，鐵軛也要用拉帶或拉板固定，參見《變壓器的原理及應(yīng)用》陳宗穆編著湖南大學(xué)出版社第一章第二節(jié)變壓器的構(gòu)造第三頁1987年11月
綁扎和緊固變壓器的鐵芯，也會(huì)造成變壓器的鐵芯故障，如夾緊鐵芯柱面和鐵軛迭片的穿心螺桿的絕緣擊穿，會(huì)造成變壓器的燒毀。參見《變壓器全書》第24章第I節(jié)磁路中的故障第605頁【英】A.C.夫蘭克林D.P.夫蘭克林編。機(jī)械工業(yè)出版社1990年7月變壓器的體積大，磁路亦長，根據(jù)磁通量和磁路長度等參量關(guān)系式Φ=μΝΙΑ/Χ可知鐵芯的磁通量是和磁路長度成反比的，在參數(shù)不變的條件下，減少一半磁路的長度，就等于增加了一倍的磁通量。(參見《大學(xué)物理學(xué)》第二冊【英】F.ff SEARS等著惲瑛等譯第35-1節(jié)329頁人民教育出版社1979年3月)式中Φ是鐵芯的磁通量，N是變壓器的勵(lì)磁繞組匝數(shù)，μ是磁導(dǎo)率，I是勵(lì)磁繞組的電流，A是鐵芯的截面積，L是磁路的長度。
[0004]變壓器的鐵芯體積大，質(zhì)量亦大，而變壓器鐵芯的電流損耗是和鐵芯的質(zhì)量成正比的。參見《變壓器全書》第25頁。
[0005]變壓器的鐵芯由硅鋼片迭裝而成，機(jī)械使用率不高，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，材料損耗亦大。
[0006]迭裝的硅鋼片接縫多，且接縫的磁阻比硅鋼片的磁阻大很多倍。這就大大的增加了繞組中的勵(lì)磁電流，見《電磁學(xué)》第三冊張三慧臧庚媛華基美編著清華大學(xué)出版社第九章第5節(jié)273頁1991年3月
一臺型號為ΒΚ-150的控制變壓器，額定容量150W，額定電壓380V，一次繞組匝數(shù)802匝，二次繞組額定電壓36V，匝數(shù)80匝，磁感應(yīng)強(qiáng)度1.16 (T)。測得磁路長度31cm，鐵芯截面積 1.8 X 1-3M2 ο
[0007]查得0.50毫米厚冷乳無取向硅鋼片在磁感應(yīng)強(qiáng)度1.16 (T)時(shí)的磁場強(qiáng)度H=0.2X 13 A/m (參見《電機(jī)工程手冊》第8篇第2章圖8.2-5)，根據(jù)μ=Β/Η求出磁導(dǎo)率μ =1.16ff b.m-2 /200A/m=5.08X10_3ff b.A_1
一臺型號ΒΚ-150的控制變壓器，在鐵芯無接縫的條件時(shí)，磁阻為 R 磁=L/yA=3.1XlO-1 m/5.08 X10_3ff b.A_1 X 1.8 X 10_3 M2 =3.4 X 14A.W b_1。
[0008]型號ΒΚ-150控制變壓器，鐵芯的接縫數(shù)為2，若縫長0.10毫米，則鐵芯縫真空中的磁阻為
Ra =2 X 10 4m/4 π X 10 7 ff b.A_1.m_1 X 1.8 X 10_3 M2 =2X4.4209X 104=8.84193 X 14 A.W b_1。
[0009]實(shí)際型號BK-150控制變壓器的磁阻是無接縫磁路磁阻的8.84193X 104 A.Wb_1 /3.4 X 14A.ff b_1 =2，6 (倍)
歸納以上的事實(shí)為:一、硅鋼片的接縫造成磁場強(qiáng)度的降低，耗能增加；二、制造技術(shù)造成鐵芯過大，磁路過長；三、迭裝硅鋼片難以使用機(jī)械，機(jī)器人也不行；四、鐵芯過大過重也使得大功率變壓器的制造、運(yùn)輸困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明是在電磁學(xué)基本理論之一的畢奧-薩伐爾定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推廣完成的。畢奧-薩伐爾實(shí)驗(yàn)研究的是長直導(dǎo)線外無磁介質(zhì)條件，即真空情況下的電流與磁場的關(guān)系。而后在有磁介質(zhì)條件下的研究則是螺線管線圈和螺線環(huán)線圈的電流與磁場的關(guān)系。(參見《靜電學(xué)和電動(dòng)力學(xué)》下冊[美]W.R.斯邁思著戴世強(qiáng)譯科學(xué)出版社1985年420頁)。而我們考慮的是:在長導(dǎo)線外對稱分布有磁介質(zhì)情況下電流與磁場的關(guān)系。
[0011]關(guān)于長導(dǎo)線外對稱均勻分布有磁介質(zhì)條件時(shí)電流與磁場的研究，我們的實(shí)驗(yàn)是:實(shí)驗(yàn)一、一根長2.2M，直徑3.2mm的絕緣銅線A和2根長2.2M，直徑0.69mm的絕緣銅線B、C相并連成一束，然后在這一束并聯(lián)的導(dǎo)線外以螺線管的形式纏繞了滿滿的5層直徑0.7mm的熟鐵絲D。鐵絲繞成的螺線管的長度為2M (見圖3)。圖中A是直徑3.2mm的銅導(dǎo)線，B、C是直徑0.69mm的銅導(dǎo)線，D是直徑0.7mm熟鐵絲繞成的螺線管。圖3所示的就是實(shí)驗(yàn)一所使用的裝置。這個(gè)裝置的磁路長度平均值為4cm，當(dāng)在導(dǎo)線A中通過50Hz、14安培的交流電流時(shí)，在元件A中有1.3V的自感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。在元件B、C中則有1.2V的互感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，自感電動(dòng)勢和互感電動(dòng)勢相位相差180°。
[0012]實(shí)驗(yàn)完成的就是一個(gè)初級和次級都是一匝的單向變壓器。其初級輸入電壓1.3V，空載電流14安培，次級輸出電壓1.2V。當(dāng)B、C兩導(dǎo)線串接時(shí)則是初級一匝，次級為二匝的單相變壓器，輸出電壓2.4V。
[0013]實(shí)驗(yàn)一完成的是一個(gè)電流互感器模型，當(dāng)初次繞組電流通過14安培時(shí)，次級的感應(yīng)電壓為1.2V。
[0014]根據(jù)電磁感應(yīng)定律E=4.44fNBS可以求出實(shí)驗(yàn)一中鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，當(dāng)將實(shí)驗(yàn)一的裝置彎折成兩段在一起時(shí)，其結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)單相殼式變壓器，其鐵芯的截面積S= ((0.07mm)2 X π X200cmX5X0.9) /4X0.07=49.48cm2.式中的 0.9 是迭裝系數(shù)，求出
B=L 2/ (4.44X50X44.98X10 4) =1.20 (T)
實(shí)驗(yàn)二、與實(shí)驗(yàn)一的裝置相同，當(dāng)在長導(dǎo)線A中通過120安培、50Hz的電流時(shí)，在長導(dǎo)線A的兩端有2.3V的自感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。在長導(dǎo)線B、C兩端有2.1V的互感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。自感電動(dòng)勢和互感電動(dòng)勢相位相差180°。
[0015]根據(jù)電磁感應(yīng)定律可算出實(shí)驗(yàn)二中鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2.1/(222X49.48X 10 4)=1.9 (T)
實(shí)驗(yàn)三、一根截面積16mm2的矩形絕緣銅導(dǎo)線A，長40cm。與兩根直徑1mm、長40cm的絕緣銅導(dǎo)線B、C相并聯(lián)成一束。然后在這束導(dǎo)線外的螺線管的形式纏繞了滿滿的14層直徑0.7mm的熟鐵絲，纏繞長度31cm。磁芯的截面積S= ((0.07mm)2X JT X 31cmX0.9X 14)/4X0.07=21.47cm3，所有元件的結(jié)構(gòu)形式與圖3相同。實(shí)測磁路長度為7cm，當(dāng)A中通過12安培、50Hz的電流時(shí)，在元件A中有0.22V的自感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。在B、C中有0.21V的互感電動(dòng)勢產(chǎn)生。自感電動(dòng)勢與互感電動(dòng)勢相位相差180°。
[0016]根據(jù)電磁感應(yīng)定律求出實(shí)驗(yàn)三中的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=0.21/222X21.47X 10 4=0.4405 (T)
實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)的裝置與實(shí)驗(yàn)三相同。當(dāng)在元件A中通過130安培、50Hz的電流時(shí)，則在元件A中有0.81v的自感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，在元件B、C中則有0.76V的互感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，自感應(yīng)電動(dòng)勢與互感應(yīng)電動(dòng)勢相位相差180°。
[0017]根據(jù)電磁感應(yīng)定律求出實(shí)驗(yàn)四中鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.76/222X21.47X 10 4=1.59 (T)
【附圖說明】
[0018]圖1中a是一種單相殼式變壓器，b是一種心式變壓器。
[0019]圖2是單相變壓器的工作原理。
[0020]圖3是多根長直導(dǎo)線外對稱均勻分布磁介質(zhì)時(shí)的情況示意圖。
[0021]圖4是由兩個(gè)多根長直導(dǎo)線外分布磁介質(zhì)元件組成的單相變壓器原理方法示意圖。
[0022]圖5是一根長直導(dǎo)線外對稱均勾分布磁介質(zhì)時(shí)的情況不意圖。
[0023]圖6表示變壓器制作過程中硅鋼片迭裝時(shí)所需要裁剪成的形狀。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
[0024]一種單相變壓器。其原理、方法與結(jié)構(gòu)都與實(shí)驗(yàn)一和圖3所敘述的相同。實(shí)際中需要根據(jù)產(chǎn)品性能參數(shù)的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對于大多數(shù)的單相變壓器，不能如實(shí)驗(yàn)一中將制成的裝置隨意彎曲對折以便實(shí)驗(yàn)測量。因此變壓器實(shí)際的制造過程是:N根絕緣的長導(dǎo)線A與N根絕緣的長導(dǎo)線B并聯(lián)成一串，然后在這一串導(dǎo)線外用磁介質(zhì)的長絲以螺線管的形式纏繞一定的長度和層數(shù)，磁介質(zhì)長絲需要涂上絕緣漆，這樣就完成了單相變壓器的一個(gè)部件。將這種完全相同的兩個(gè)部件并排在一起，中間用絕緣材料隔離。見圖4，圖中A是部件I的一次繞組，B是部件I的二次繞組，C是鐵磁質(zhì)，D是部件2的一次繞組，截面積、長度數(shù)量與A相同，E是部件2的二次繞組，截面積、長度、數(shù)量與B相同。將兩個(gè)部件的一次繞組和二次繞組分別聯(lián)接成線圈，這就成為了一個(gè)完整的單相變壓器。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)在制造大型的變壓器方面有突出的優(yōu)勢:一、機(jī)械制造程度高，簡單方便；二、絕緣冷卻設(shè)計(jì)容易；三、磁路段，由此可知有電氣及磁場方面的優(yōu)勢。
[0026]磁體的制造完全由機(jī)械繞制，免除復(fù)雜的硅鋼片迭裝工序的手工操作。
[0027]本發(fā)明的技術(shù)作為大功率電抗器使用優(yōu)點(diǎn)，方便于電爐、變壓器等大功率場合?？梢詮碾娫摧敵鳇c(diǎn)到用戶之間任意點(diǎn)串接進(jìn)入(參見圖5圖中A是輸電線或電纜，B是磁介質(zhì))，或者直接在單相電纜上纏繞磁介質(zhì)的長絲作為輸電線的一部分或全部。這都是方便高效的技術(shù)方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單相變壓器及同類器件，包括鐵心、一次繞組、二次繞組，其特征是:鐵心由磁介質(zhì)的細(xì)絲繞成螺線管的形式。2.變壓器的鐵心由兩個(gè)相同的螺旋管并排而成。
【專利摘要】一種單相變壓器的制造技術(shù)，包括一次繞組、二次繞組及鐵心。其特征是：鐵芯由磁介質(zhì)的長絲以螺線管的形式纏繞而成，因此鐵芯的制作可完全用機(jī)械高速優(yōu)質(zhì)制成，且磁路短，磁阻小，漏磁小，磁感應(yīng)強(qiáng)度高，減輕了變壓器的體積質(zhì)量。
【IPC分類】H01F27/25, H01F27/24
【公開號】CN105023730
【申請?zhí)枴緾N201510171500
【發(fā)明人】張湘明, 張樂
【申請人】張湘明, 張樂
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年4月13日