非矩形截面鐵心e型節(jié)能節(jié)材變壓器的制造方法
【專利說明】非矩形截面鐵心E型節(jié)能節(jié)材變壓器發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電學(xué)中的變壓器技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及小型變壓器的磁路結(jié)構(gòu)改進(jìn)，具體地說，是創(chuàng)建一種新結(jié)構(gòu)的單相變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]變壓器的基本原理是通過電磁感應(yīng)，將一種交流電壓改變?yōu)榱硪粋€電壓，其基本結(jié)構(gòu)是電路(包括繞組和外電路)和磁路的交鏈，通過電能和磁能的相互轉(zhuǎn)化以實現(xiàn)電壓變換。
[0003]在現(xiàn)有的小型單相變壓器中，E型變壓器以其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易為特點，是用得最多、最普通的變壓器品種。
[0004]E型變壓器只有一種片型，為一片E形片和一片I形片疊制成一層，將另一層按相反方向疊裝，使空氣隙相互交錯達(dá)到一定厚度所構(gòu)成的磁路，所以沖片模具很簡單，而斜E形的模具更簡單到只需一件沖模。正因為模具簡單所以E型變壓器得到廣泛應(yīng)用，但由于其繞組只能采用矩形結(jié)構(gòu)，所以電阻大損耗多，電源效率低，是一種低效不節(jié)能產(chǎn)品。
[0005]變壓器的損耗有鐵損和銅損兩種，鐵損由鐵心的磁損耗所引起，通常稱為空載損耗，而銅損是由銅繞組的電阻所產(chǎn)生，稱為負(fù)載損耗，在現(xiàn)有材料成本條件下，變壓器通常設(shè)計成負(fù)載損耗大于空載損耗的規(guī)則。
[0006]E形變壓器的鐵心截面為矩形，所以繞組也是矩形。在相同的鐵心截面積中，長方形截面的銅線長度大于正方形，而正方形截面的銅線長度又大于圓形，所以現(xiàn)有傳統(tǒng)E形變壓器，負(fù)載損耗較大，效率較低，而且銅線長度大，使E形變壓器材料成本提高，很不經(jīng)濟(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，是通過變壓器磁路結(jié)構(gòu)的改革，減少E型變壓器的損耗，提高變壓器能效；減少用材量，降低制造成本。
[0008]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種主要由疊片鐵心、線圈架、繞組三大部件組成的E型單相變壓器，其特征是，變壓器鐵心為非矩形截面；疊片由不限于一種尺寸的硅鋼片疊制而成。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)效果是明顯的，首先，許多種非矩形截面，特別是圓形結(jié)構(gòu)繞組的線匝長度/鐵心截面積比比矩形繞組小，繞組電阻低，可以有效降低變壓器的負(fù)載損耗，提高能效；其次，圓形等結(jié)構(gòu)繞組比較容易繞制，其用銅量也較低，有利于降低變壓器的材料成本。
【附圖說明】
[0010]圖1、現(xiàn)有傳統(tǒng)E型鐵心單相變壓器疊片形狀圖。
[0011]圖2、現(xiàn)有傳統(tǒng)E型鐵心單相變壓器繞組外形圖。
[0012]圖3、本發(fā)明改進(jìn)的小八角E型變壓器鐵心截面圖。
[0013]圖4、大八角E型變壓器鐵心截面圖。
[0014]圖5、本發(fā)明的3階圓截面鐵心和線圈橫剖圖。
[0015]圖6、3階圓截面變壓器外形圖。
[0016]圖7、3階圓截面鐵心縱剖圖。
[0017]圖8、本發(fā)明變壓器的4階非矩形截面鐵心。
[0018]圖9、本發(fā)明變壓器的一種5階非矩形截面鐵心。
【具體實施方式】
[0019]現(xiàn)有傳統(tǒng)E型鐵芯變壓器，也稱EI型變壓器，是一種用途廣泛的、也是最常見的小型變壓器。
[0020]圖1為現(xiàn)有傳統(tǒng)E型鐵心單相變壓器疊片形狀圖。E型變壓器鐵芯，是在矩形線包制成后，由一片E形片和一片I形片疊制成一層日字形，將另一層按相反方向疊裝，使空氣隙相互交錯達(dá)到一定厚度所構(gòu)成的磁路，通過交錯換位，鐵芯縫隙相互錯開，以降低磁路間隙磁阻，所以沖片模具很簡單，一款變壓器只需兩種沖件，而斜E形的模具更簡單到只有單一沖件。
[0021]圖2為現(xiàn)有傳統(tǒng)E型鐵心單相變壓器繞組外形圖。繞組其實就是一個矩形線包，通常由漆包銅線繞制。E型鐵心單相變壓器的繞組是一個簡單的六面體，中間開有一個矩形孔，用來插入E型疊片，疊片依相互交錯方式插入，例如將I至2片疊片從繞組線圈架的上部插入，則依次將I至2片疊片從繞組線圈架的下部插入，相互交錯插入，直到將中間的矩形孔插滿為止。
[0022]從幾何學(xué)原理出發(fā)，在一個封閉的幾何圖形中，不同形狀的幾何圖形的邊長與所圍面積之比差異極大，例如長方形的邊長/面積比大于正方形，長方形的長寬比越大，其邊長/面積比也越大；而正方形的邊長/面積比又大于圓形。
[0023]對于任一款E型變壓器的鐵心和繞組而言，幾何圖形的面積對應(yīng)于鐵心截面積，而繞組導(dǎo)線長度對應(yīng)于幾何圖形的周長。所以，一定截面積鐵心，對應(yīng)于不同截面形狀的繞組的長度是不等的，這就是在E型變壓器設(shè)計中，建議多采用正方形截面鐵心的原因。在相同的鐵心面積下，正方形鐵心的導(dǎo)線最短，電阻最小，所以其負(fù)載損耗Pr也最小。
[0024]Pr = I2R(式 I)
[0025]由式I可以看出，負(fù)載損耗與繞組電阻成正比，而與流過繞組的電流平方成正比。
[0026]同時，導(dǎo)線最短，意味著變壓器線圈的用銅量也最小，所以在變壓器設(shè)計中，盡量采用正方形截面的鐵心，或者盡量采用長寬比接近I的長方形截面鐵心，成為設(shè)計中的基本原則，這樣一種變壓器具有最佳的節(jié)能節(jié)材效果。
[0027]下面需要探討的是，本發(fā)明是如何對E型變壓器鐵心、線圈結(jié)構(gòu)作節(jié)能節(jié)材改進(jìn)的?；镜慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)特征是，變壓器鐵心由矩形截面改進(jìn)為非矩形截面；疊片由一種尺寸的娃鋼片改進(jìn)為一種以上尺寸的娃鋼置片。
[0028]以非矩形截面鐵心代替矩形截面鐵心，首先是可以減少銅線長度，較短的銅線長度意味著較小的繞組電阻。從而，既可降低變壓器的負(fù)載損耗，又可降低變壓器的用銅量。
[0029]改進(jìn)的第一種E型變壓器鐵心為對現(xiàn)有E型變壓器作最小動作的改良，稱為小八角線圈架E型鐵心變壓器。
[0030]圖3為本發(fā)明改進(jìn)的小八角E型變壓器鐵心截面圖。
[0031]圖3a)為傳統(tǒng)E型變壓器的鐵心芯柱截面，線圈架(21)套在鐵心(10)上，鐵心中只有一種尺寸的疊片。
[0032]圖3b)為本發(fā)明中最簡單的改進(jìn)，采用小八角線圈架代替矩形線圈架，對于鐵心來說，就是采用少量二階疊片置換部分一階疊片，也就是說采用兩種尺寸的疊片，本方案以一階大疊片為主，加入少量二階疊片，目的是把矩形線圈架的四個角去掉，以此縮短導(dǎo)線長度，減小繞組電阻值，從而降低變壓器的負(fù)載損耗。
[0033]以具體設(shè)計的樣機(jī)為例，原有E型變壓器采用50mm舌寬的沖片，疊厚69mm，鐵心計算截面積為3450mm2。
[0034]本發(fā)明改為54mm和40mm舌寬的2階沖片的小八角，疊厚也是69mm，鐵心計算截面積為3516mm2。除舌寬外的沖片其它參數(shù)不變。
[0035]鐵心截面積增加到1.019倍，但繞組導(dǎo)線長度降低到0.962倍。
[0036]也就是說，即使不改變原有E型變壓器的線圈匝數(shù)，也使改進(jìn)產(chǎn)品的磁密降低，空載損耗減??；同時，繞組電阻減小，負(fù)載損耗降低。改進(jìn)后的產(chǎn)品能耗指標(biāo)雙雙降低，既節(jié)能又節(jié)材。
[0037]上述改進(jìn)所產(chǎn)生節(jié)能的主要原因是，將原有矩形線圈架的四個直角削掉，改成為小八角形的鈍角，將原來必須直角轉(zhuǎn)彎的繞線改變?yōu)?35°鈍角轉(zhuǎn)彎，非但繞線方便，同時也縮短了導(dǎo)線長度。在實際的線圈架中，靠鐵心一側(cè)的線圈架框可以制成角型，而靠繞線一側(cè)的線圈架框盡量避免角型，而應(yīng)以弧形過渡。
[0038]如果改進(jìn)后的鐵心，即使仍采用原來的一階疊片，還是以一階疊片為主，配以少量二階疊片，那鐵心有效截面損失也很少，所以只要稍微加厚一點線圈架的縱向?qū)挾?，也就是說比原來多疊一片或數(shù)片疊片，就能把截面損失補(bǔ)回來。但去掉四個直角，導(dǎo)線長度減小，既節(jié)省了銅材，又3負(fù)載損耗降低。
[0039]綜上所述，小八角形截面鐵心變壓器的特征是，變壓器的鐵心由2階疊片組成；線圈架為接近矩形的小八角形。
[0040]圖4為本發(fā)明的大八角E型變壓器鐵心截面圖。
[0041]小八角E型變壓器鐵心的改進(jìn)必定是有限的，如果將小八角形進(jìn)一步向圓形方向發(fā)展，就將成為大八角形的鐵心和線圈架。同時，為提高截面鐵心占有率，2階疊片也升級成為3階置片，即鐵心由一階置片、—■階置片和二階置片的3種沖片置成。
[0042]從圖4中可以看出，大八角E型變壓器鐵心仍以一階疊片為主，但二階疊片比小八角方案有明顯增加，三階疊片可以比二階疊片少也可以與二階疊片一樣多，關(guān)鍵是根據(jù)線框的形