CN102792398A - 具有环氧绝缘线圈的三相高性能干式变压器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有包含由通过上磁轭(18)和下磁轭连接在一起的三个芯腿形成的三角形芯(20)的环氧绝缘线圈(12,14,16)的三相高性能干式变压器(10)，每个线圈绕其自己的芯腿缠绕并配备有增强纤维和铸塑树脂。而且，它涉及用于制造变压器的方法，其中下磁轭与芯腿连接，每个芯腿配备有铜线绕组，用增强纤维、粗纱或它们制成的预浸料层压每个绕组，在每个绕组中装配管状体以便形成用于排放操作期间的热损耗的通道，并且每个线圈配备有铸塑树脂。然后在相应芯腿上移位每个线圈，上磁轭连接到芯腿，并且完成每个线圈导体的电气安装。

Description

具有环氧绝缘线圈的三相高性能干式变压器及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有包含三角形芯的环氧绝缘线圈的三相高性能干式变压器，其中所述芯由三个子芯组成，每个子芯布置在与其它子芯成优选120度的角处，并且每个单相芯的每个长边与相邻单相芯的每个长边形成芯腿接头，并且涉及用于制造之前提到的三相高性能干式变压器的方法。
背景技术
三角形芯是很长时间以来已知的，其中最老的公布时间回溯大约100年或更久。具有三角形芯的三相高性能变压器也是很长时间以来已知的。
在GB 575564中，已经公布了三相磁芯，其包括由通过绝缘材料接合在一起的磁材料层形成并弯曲跨越条带宽度的三个V形构件，每个构件的两端如此成形使得它们与其它构件端在芯轴形成对接接头，三个构件从芯轴在相互位移120度方向辐射。磁材料条带可连续缠绕以形成矩形圈，通过塑料绝缘材料分开并焊接层压片。在线圈的顶部和底部以120度角倾斜的切口制成了两个V形芯，其中在各端的表面如此成形使得三个芯可放在一起形成三相结构，环绕其上可放置绕组的三个腿。在中心轴与外边缘之间延伸的芯构件之间形成对接接头的表面可被机械加工并然后蚀刻以去除毛刺。芯构件通过在底部勾到三角形构件中的带子固定在一起，并通过可调螺丝连接在上端固定在三角形构件中。
备选地，每个芯构件通过导电条带在中心划分以防止交叉磁通，与层压片绝缘，并位于含有中间轴的平面中。作为另外的修改，描述了十字形截面的芯构件，以类似于之前所描述的那些的方式制造它们，但在其中间部分距条带更宽。预先形成的线圈可放在首先在这些腿上被切割(cut across the legs)并且然后通过对接接头接合的芯上，或者低压绕组可缠绕在芯上，并且高压绕组可滑过它。
原则上，今天主要存在两个概念，一个是Delta类型，该术语是指相应横截面，而另一个是Hexaformer类型。两种类型都已经商业化了，并且可用作液冷式变压器和干式变压器。
根据Delta概念的变压器芯具有三维铁芯，其结构由三个框架形式铁芯形成，其具有对于偏斜的D-形区段提供的相同大小。铁芯由磁导条带材料构成。以它们相互包括(mutually include)60度角以形成三维铁芯的方式布置三个框架形式铁芯。
根据Hexaformer概念(WO2008/108704)的变压器是具有特殊形状芯的三相变压器(布置成三角形形状)。具体地说，hexaformer芯包括至少一个腿和至少一个磁轭部分，其中所述一个或多个腿的横截面常规是具有多于四个边的多边的。
通常，芯由某一数量卷(例如9卷)的层压钢带组成，并且芯腿具有六边形的横截面形状，由此获得了良好的电气和/或磁属性。根据这个概念构建的变压器区别在于更高的能量效率、更低的重量和容积、更低的震动和噪声等级、更低的电磁杂散场、更低的浪涌电流并且没有三次谐波。
相比常规变压器，三角形芯变压器需要更少的芯用钢，并具有更低的芯损耗。因此在经济上和生态上有益。
此外，相比卷入大量人工劳动的电力变压器生产的传统技术，新技术允许很大程度自动化生产过程。
从DE 2051883 B2中，已知用通过未固化的环氧树脂浸渍的线匝生产，并在具有树脂浸渍的纤维绕组的中间层的线圈架上的层中缠绕变压器线圈。缠绕线圈涂有绝缘层，并且环氧树脂在完成缠绕后被固化。首先，线圈涂有优选为层压玻璃等的树脂浸渍纤维层的初级绝缘层，这层在缠绕过程期间是胶形式，其中沉积了至少一层具有树脂浸渍的导线，接下来涂第二树脂浸渍纤维层。优选地，组件形成轴向支撑的环状体。
用具有这些特征的干式变压器，通常它们的线圈布置成一行，其中每个线圈缠绕在其自己的芯腿周围，即一个与下一个相邻，并且每个线圈的铁芯通过限定变压器的磁轭联接在一起。
一方面，根据这个传统设计的变压器容易制造，另一方面，安装这种变压器所需的空间更高。而且，相比三角形芯变压器，对于芯用钢的需求肯定更高，并且芯损耗更大。
发明内容
因此，本发明的目的是设计上面提到类型的变压器，具有较低空间需求和高效操作数据，都涉及功率和绝缘稳定性，同时引起低的制造工作量。
这个目的通过一种具有包含由位于三角形角处的三个芯腿形成的三角形芯的纤维增强的环氧绝缘线圈的三相高性能干式变压器实现，其中每个芯腿的上端通过上磁轭连接在一起，并且每个芯腿的下端通过下磁轭连接在一起，其中每个线圈绕其自己的芯腿缠绕，并且每个线圈已经配备有增强纤维和铸塑树脂。
根据本发明的优选实施，作为玻璃纤维、芳纶纤维、PET纤维、其它聚合物纤维、陶瓷纤维或它们的组合提供增强纤维。
根据本发明的进一步改进，作为粗纱或预浸料提供增强纤维。粗纱是拉的长且窄捆的纤维。预浸料是“预先浸渍”的合成纤维的术语。这些通常具有织物或织布的形式，或者是单向的。它们已经包含用于在制造期间将它们接合在一起以及接合到其它元件的一定量基体材料。预浸料大部分存储在冷却区域中，这是因为激活一般主要通过加热进行。因此，预浸料构建的合成结构大部分将需要烘炉或压热器来固化材料。
优选地，根据本发明的变压器其特征在于用增强纤维和/或粗纱和/或预浸料层压每个线圈的绕组，其中提供用增强纤维和/或粗纱和/或预浸料对绕组的层压作为线圈的机械稳定性的加强。
根据本发明的又一优选实施例，每个线圈配备有用于冷却介质的通道，其中所述通道与芯轴平行对齐。优选地，在每个线圈中提供至少三个通道。
而且，可能有利的是，使线圈具有不同深度的冷却通道以便给出充分保护以免由于由涡流损耗等引起的可能损耗而过热。
按照根据本发明的变压器的优选实施例，作为在制造线圈时装配在绕组中的管状体提供线圈中用于冷却介质的每个通道。
根据本发明的变压器的优选实施例其特征在于：每个芯部分的至少一个磁轭，上磁轭或下磁轭，可拆卸地连接到相应芯腿。优选地，每一个磁轭都制造为棒，作为三角形的一部分，其中这些棒形成三角形的轮廓。
有利地，用根据本发明的变压器，每个芯以及磁轭都由结晶或非结晶结构的低损耗铁合金制成。而且，本发明的目的是公开如何制造之前所描述的变压器的方法。从而，用于制造根据本发明的变压器的方法包括下文列出的不同步骤。
开始于定位与位于三角形芯的角处的芯腿连接的下磁轭。然后，每个芯腿配备有铜或铝线或箔的绕组，其中用增强纤维或粗纱或由它们制成的预浸料层压每个绕组。下一步骤其特征在于：在每个绕组中，装配管状体以便形成为排放在操作期间生成的热损耗提供的通道。现在，当已经完成绕组时，每个线圈配备有铸塑树脂。
随后，在相应芯腿上移位根据上面提到的步骤制造的每个线圈，并且然后将上磁轭放在芯腿上并连接到芯腿，其中每个线圈固定在适当位置。最后，执行每个线圈导体的电气安装。
用于制造根据本发明的变压器的另一方法包括下文列出的不同步骤。
1)第一步骤是定位矩形框架，使得平行于每个相邻框架对齐的任何框架的两个长边形成三角形的角。每个框架的短边形成上磁轭和下磁轭。
2)然后，将执行线圈的缠绕，其中每个芯腿将接收用于初级电压的绕组和用于次级电压的一个绕组。
3)在本地制造根据这个方法的线圈，即每个芯腿经受单独的缠绕过程，而同时在多于一个芯腿上组装多于一个绕组是可能的。每个线圈的缠绕通过缠绕机器以机械方式或以人工方式实现。
4)根据本发明的优选特征，在每个绕组中，装配至少一个管状体以便各形成为排放在变压器操作期间生成的热损耗提供的通道。
5)根据用于制造变压器的要求权利的方法的优选步骤，检查每一个冷却通道的位置。
6)而且，根据本发明的线圈配备有树脂浸渍的至少一层、优选为多于一层纤维绕组，以便获得线圈的机械稳定性并支撑线圈的结构。
7)有利地，树脂可以是聚酯树脂，或根据本发明的优选实施例，它是环氧树脂。
8)而且，有利地，铸塑树脂通过热处理整个变压器而固化，以便加强线圈的机械稳定性。
9)根据这个方法的进一步改进，每个线圈的导体连接到接口。
10)最后，关于其电气特性对根据本发明的变压器进行测试。
具有这些特征的干式变压器提供了灵活、可靠且环境上安全的设计，用于除只是分配任务之外的广泛范围的应用，并且可容忍重载荷和极端温度。它们的设计为广泛范围的应用提供了安全可靠的变压器，符合大多数全球标准。从而，这些变压器能够满足性能要求，同时提供不易燃的环境上安全的免于维护的产品。
变压器由用玻璃纤维粗纱增强的树脂、使它们能够忍受极端机械应力和来自恶劣气候的热冲击、常规循环加载和短路作用力的极大强度的材料或任何相当的纤维材料制成。除此之外，可通过使用用于层压绕组的预浸料实现线圈的增强。
从而，设计并测试这些材料以运作在像-60℃(-76℉)一样低或超过50℃(122℉)的外部温度。而且，这些变压器是防爆的、无毒的、自熄的，并且是百分百防潮的，不受冰冻条件或化学的影响。
特殊的优点是，这些变压器的生产无需使用铸模。相反，它们的线圈在数控缠绕机器上制造，因此它们可定制成满足确切的客户规范和要求，包含损耗、阻抗或尺寸。具体地说，这个设计灵活性可用于生产正好是合适大小的变压器，例如能够通过受限的出入开口(access hatch)或门道，无需拆开它，或者在受限高度的区域中运作。通常，这些变压器用在室内和室外，其中外壳可用于适合大多数全球需求，并且不要求拱顶或防溢堤、喷水装置或其它昂贵的防火***。
根据本发明的变压器可用在变频驱动器(VFD)和牵引应用中，其中应用突然循环载荷和谐波，并且要求多个绕组的解决方案。
本发明的这些和另外有利实施例和改进是从属权利要求的主题。
附图说明
通过在本发明附图中示出的本发明的各种优选实施例的示例，将更详细例证和描述本发明的有利实施例和改进以及本发明的特殊优点。它显示在：
图1是配备有线圈和磁轭的三角形变压器芯的布置的示意图上的顶视图；
图2是由闭合圈构成的芯框架的侧视图；
图3是三角形芯上的顶视图；
图4是由三个芯框架形成的三角形芯的侧视图，其中每个框架的每个长边接合到相邻框架的长边，并由此装配到三角形上；
图5是根据图3的配备有绕组的三角形芯上的顶视图；以及
图6是根据图4的配备有绕组的三角形芯的侧视图。
具体实施方式
图1示出了配备有线圈12、14、16和磁轭18的三角形变压器10的布置的示意图上的顶视图。线圈12、14、16各缠绕在芯腿(这个视图中未示出)周围，并形成具有三角形芯20的三相高功率变压器10。
磁轭18被放在每个芯腿的顶端，并连接到每个芯腿的顶端，由此它形成闭合磁路。
在图2中，示出了闭合框架22，由两个长边24组成，每个通过弓形连接段26彼此连接。与相邻框架22的长边24相邻的每个长边24用作线圈12、14、16的芯腿25，同时弓形连接段26形成磁轭18。
因此，线圈12、14、16的每个芯腿25由两个框架22的两个长边24形成，它们对齐在一起并由此形成三角形，如从图3中可看到的。
图3示出了由三个闭合框架22形成的三角形芯20上的顶视图，其中每个框架22的长边24垂直于投射平面延伸。在这个三角形的角处，两个相邻框架22的相邻的所述长边24彼此对齐，同时在所述长边24的端处的弓形连接段26形成磁轭18。
在图4中，示出了三角形芯20的侧视图，其由三个芯框架22形成，其中每个框架22的每个长边24连接到相邻框架22的长边24，并由此装配到根据本发明的变压器10的三角形芯20。如前面所提到的，两个对齐的长边24形成绕组绕其缠绕的芯腿25。
在图5中，示出了根据图3的三角形芯20上的顶视图，其配备有绕组底座28和其上的绕组12、14、16。
绕组底座28用作绕组或线圈12、14、16的载体，并且最初可绕相应的芯腿25旋转。这种可旋转性允许绕组可容易地以专业方式制造，即确切地一匝一匝并且一层一层地制造。
最后，图6示出了根据图4的三角形芯20的侧视图，其中每个芯腿25配备有绕组底座28，并且线圈12、14已经施加在其上。第三个线圈在图中隐蔽了。
至于这种绕组的制造，当三角形芯由闭合框架22制成时，即当每个芯腿25的两端都与三角形磁轭18连接使得不可能在相应芯腿25上移位轻松缠绕的线圈时，根据本发明的一个实施例，每个芯腿25配设有用于缠绕相应线圈的柱形绕组底座28。
这个管状绕组底座28其一方面相当窄，即它以紧密的距离围绕相应的芯腿25，而另一方面芯腿25与绕组底座28之间的空间足够大，使得允许绕组底座28绕芯腿25旋转。从而，为绕组提供的铝或铜线绕优选由结晶或非结晶结构的低损耗铁合金制成的绕组底座28稳定地缠绕，芯腿25也是如此。
为了自动或半自动地给相应芯腿25提供线圈，绕组底座28借助带传动或链传动或齿轮传动等以机械方式旋转，这些传动可在完成缠绕过程之后去除，其中绕组线一匝一匝并且一层一层地卷绕。因此，在每一个芯腿25处线圈的本地制造可容易地执行，无需打开三角形芯20的闭合框架22。
当执行导体的缠绕时，优选在缠绕区域内以正确的圆周角(right circular angle)并且以定义的半径定位用于排放在操作期间的废热的每个线圈的至少一个管。从而，这些管状冷却管道借助纤维和/或由纤维制成的预浸料紧固到绕组上并且在进一步继续制造线圈之前用例如环氧树脂层压。
附图标记列表
10三角形变压器
12线圈
14线圈
16线圈
18磁轭
20三角形芯
22闭合框架
24长边
25芯腿
26弓形连接段
28绕组底座。

Claims (15)

1.一种具有包含由三个芯腿(25)形成的三角形芯(20)的树脂绝缘线圈(12,14,16)的三相高性能干式变压器(10)，每个芯腿位于三角形的角处，其中每个芯腿(25)的上端通过上磁轭(18)连接在一起，并且每个芯腿的下端通过下磁轭(18)连接在一起，其中每个线圈(12,14,16)绕芯腿(25)缠绕，并且每个线圈(12,14,16)已经配备有增强纤维和铸塑树脂。
2.一种具有包含由三个闭合框架(22)形成的三角形芯(20)的树脂绝缘线圈(12,14,16)的三相高性能干式变压器(10)，每个闭合框架具有两个长边(24)，每个都平行于相邻框架(22)的相应长边(24)对齐，并由此在每种情况下形成芯腿(25)，其中每个线圈(12,14,16)绕一个芯腿(25)缠绕，并且其中每个线圈(12,14,16)已经配备有增强纤维和铸塑树脂。
3.如权利要求1或2所述的变压器，其中作为玻璃纤维、芳纶纤维、PET纤维、其它聚合物纤维、陶瓷纤维或它们的组合提供所述增强纤维。
4.如权利要求3所述的变压器，其中作为粗纱提供所述增强纤维。
5.如以上权利要求中任一项所述的变压器，其中所述绕组由具有大约几百米长度、至少具有所述线圈的一个周长长度的纤维制成。
6.如以上权利要求中任一项所述的变压器，其中用热固树脂或热塑聚合物预浸所述增强纤维。
7.如权利要求6所述的变压器，其中所述热固树脂是环氧树脂。
8.如以上权利要求中任一项所述的变压器，其中用所述增强纤维和/或粗纱和/或预浸料层压每个线圈(12,14,16)的所述绕组。
9.如权利要求7所述的变压器，其中提供所述增强纤维和/或用增强纤维和/或粗纱和/或预浸料对所述绕组的层压作为所述线圈(12,14,16)的机械稳定性的加强。
10.如以上权利要求中任一项所述的变压器，其中每个线圈(12,14,16)被配备有用于冷却介质的通道，其中所述通道平行于线圈轴对齐。
11.如权利要求10所述的变压器，其中所述线圈(12,14,16)中用于冷却介质的每个通道被提供为在制造所述线圈的同时装配在所述绕组中的管状体。
12.如以上权利要求中任一项所述的变压器，其中所述上磁轭或下磁轭(18)中的至少一个可拆卸地连接到相应芯腿(25)。
13.如以上权利要求中任一项所述的变压器，其中每个芯以及所述磁轭(18)由结晶或非结晶结构的低损耗铁合金制造。
14.用于制造如以上权利要求中任一项所述的变压器的方法，其中所述芯腿(25)位于三角形芯(20)的角处，并且每个芯腿(25)与下磁轭和上磁轭(18)连接，其中每个芯腿(25)配备有铜或铝线或箔的线圈(12,14,16)，其中用增强纤维或粗纱和/或由它们制成的预浸料层压每个线圈(12,14,16)，其中在每个线圈(12,14,16)中，装配至少一个管状体以便形成提供用于排放在操作期间生成的热损耗的通道，其中每个线圈(12,14,16)配备有铸塑树脂，并且其中完成每个线圈的导体的电气安装。
15.如权利要求14所述的用于制造变压器的方法，其中由下磁轭(18)和上磁轭(18)组装所述三角形芯(20)，下磁轭(18)与所述三角形芯(25)的角处的芯腿(25)成整件地连接，其中每个芯腿(25)配备有铜或铝线或箔的线圈(12,14,16)，其中在相应芯腿(25)上移位根据上面提到的步骤制造的每个线圈(12,14,16)，其中所述上磁轭(18)连接到所述芯腿(25)，并且完成每个线圈的导体的电气安装。
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