一种纤维夹层变压器铁心及其叠积方法

摘要

一种纤维夹层变压器铁心及其叠积方法，包括通过在主夹件及夹紧铁板上放绝缘件；确定铁心叠层的心柱的安装位置，在最小级的安装位置上叠积向穿心孔中插入定位销，自下而上完成各级的叠积，并在每级之间添加纤维夹层；叠积完成后拆除定位销，放置绝缘件；向穿心孔中插入紧固螺杆，然后使用穿轭螺杆、环氧树脂绑扎带装配主夹件，实现纤维夹层变压器铁心。本发明降低硅钢片绝缘涂层的磨损；同时，也能够改善其铁心叠积所产生的压应力分布，提高铁心在微振动下的阻尼性能，并且能够有效地降低由于硅钢片磁致伸缩所产生的铁心弯曲振动与辐射噪声问题；同时，纤维夹层的合理分布可以提高层间的绝缘性能，使得铁心层级之间的损耗降低。

说明书

技术领域

本发明属于电气设备领域，具体涉及一种纤维夹层铁心及其叠积方法。

背景技术

铁心是变压器中主要的磁路部分，为了减少变磁通在铁心中引起的涡流损耗， 通常由含硅量较高，表面涂有绝缘漆、厚度为0.27～0.35mm的热轧或冷轧硅钢片 叠装而成，是电力变压器的电磁部件。铁心和其上的线圈组成完整的电磁感应系 统，可以深入负荷中心。

然而，工作磁化状态下硅钢片发生磁致伸缩(平行于磁化方向伸长，而垂直 于磁化方向收缩)，从而引起叠装铁心的振动。硅钢片的磁致伸缩对所受机械应 力很敏感，且不同方向的应力对硅钢片磁致伸缩特性的影响也不同，如拉应力对 沿轧制方向磁化的取向硅钢片的磁致伸缩影响甚小，而压应力的影响很大。铁心 磁致伸缩产生的形状变化是产生变压器噪声的根源，它属于变压器的本体噪声， 与铁心质量、接缝形式、铁心尺寸、磁通密度以及夹紧约束条件等的选取有直接 关系。

硅钢片叠层铁心必须通过一定的装配、约束和夹紧以给予一定的机械刚度， 这些因素都将影响铁心电磁噪声的大小。另外，由于磁通密度在变压器叠片铁心 中分布不均，局部磁通畸变和温度变化会导致叠片铁心受到一个随机非均匀的局 部压力，这些都将对整体铁心电磁振动噪声产生影响。当铁心的夹紧力不够大时， 硅钢片的平面度或自重因素都将使铁心产生弯曲变形，致使铁心的弯曲振动加剧 而使得辐射噪声增加。

在硅钢片叠层接触点的材料处于塑性流动状态，在磁致伸缩与夹紧力影响下， 在摩擦中接触点还可能产生瞬时高温，因而使得接触的两边产生黏着，黏着结点 具有很强的黏着力。目前，传统结构的铁心所使用的硅钢片，其磁致伸缩率在 10^-5到10^-4之间，在电磁激励下产生的振动位移较小，使得硅钢片叠层之间的接 触点几乎完全处于黏着状态，整个叠层接触面之间的摩擦耗能几乎为零，铁心结 构的阻尼主要来自于材料本身。

如何降低叠片铁心磁致伸缩所产生的振动噪声并设计低能耗的变压器铁心 一直以来都是国内外变压器行业难以克服的难题，这种叠层结构的特殊性使得研 发人员必须另辟蹊径，利用结构本身的特性来处理以上的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种低能耗、低噪声的纤 维夹层变压器铁心及其叠积方法，符合国家节能减排的行业发展。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种纤维夹层变压器铁心，包括由硅钢片组成的若干级过渡叠层，在相邻过 渡叠层之间设置有纤维夹层。

所述纤维夹层的厚度为硅钢片厚度的1～1.2倍。

所述纤维夹层的材质为尼龙、锦纶或玻璃纤维。

所述纤维夹层的筛孔尺寸为30至60目。

所述纤维夹层的纹理方向与硅钢片轧制方向呈45度。

一种如权利要求1所述的纤维夹层变压器铁心的叠积方法，包括以下步骤：

1)在主夹件及夹紧铁板上放绝缘件；

2)确定铁心叠层的心柱的安装位置；

3)在最小级的安装位置上叠积2-3cm后向穿心孔中插入定位销，自下而上 完成各级的叠积，并在每级之间添加纤维夹层；

4)叠积完成后拆除定位销，放置绝缘件；

5)向穿心孔中插入紧固螺杆，然后使用穿轭螺杆、环氧树脂绑扎带装配主 夹件，实现纤维夹层变压器铁心。

在使用穿轭螺杆和紧固螺杆时加入蝶型弹簧。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过在变压器铁心原有的 硅钢片叠层之间，并在相邻过渡叠层之间设置有纤维夹层即在相互接触表面之间 引入第三相来降低接触表面之间的粘着，减小层间摩擦力，从而降低硅钢片绝缘 涂层的磨损；同时，也能够改善其铁心叠积所产生的压应力分布，提高铁心在微 振动下的阻尼性能，并且能够有效地降低由于硅钢片磁致伸缩所产生的铁心弯曲 振动与辐射噪声问题；同时，纤维夹层的合理分布可以提高层间的绝缘性能，使 得铁心层级之间的损耗降低。

本发明基于摩擦阻尼减振理论，在相邻过渡叠层之间设置纤维夹层，在不降 低或微量降低叠片系数的基础上，能够改善其铁心叠积所产生的压应力分布，提 高铁心在微振动下的阻尼性能、装配质量以及使用寿命。

进一步的，本发明采用的纤维夹层的材料为玻璃纤维、尼龙或锦纶，它们的 绝缘性好抗腐蚀性好，机械强度高、摩擦系数低，不易粘附任何物质，是无油自 润滑的最佳选择。

进一步的，本发明中纤维夹层的厚度为硅钢片厚度的1～1.2倍时，且夹层 纹理方向与硅钢片轧制方向成45度时，该变压器铁心的节能降噪效果最优。

进一步的，纤维夹层的筛孔尺寸为30至60目时，筛孔气隙内部形成气体薄 膜阻尼，增加了铁心的降噪效果。

本发明的叠积方法，通过在每个心柱的穿心孔(即装配定位孔)上安装紧固 螺杆，不但增加硅钢片组合心柱的预紧与整体刚度，抑制其重力影响的平面弯曲， 而且提高了叠片系数，改善磁通的路径，相对地减少铁损，一定程度上抑制了心 柱弯曲振动的幅度，从而达到铁心的减振降噪目标；本发明由于在每级之间添加 纤维夹层，所以不仅能够解决硅钢片叠层在装配过程中所产生的压应力分布不均 的问题，还能提高铁心在微振动下的阻尼、降低硅钢片的磨损、降低铁心结构的 振动噪声、提高硅钢片层级间的绝缘性能，从而使铁心层级之间的损耗降低0.3％ 以上。

进一步的，由于采用了蝶型弹簧，进行弹性装配，增加了装配位置的阻尼， 所以能够减少铁心振动幅值和噪声。

附图说明

图1为本发明含纤维夹层材料的硅钢片组合叠层的结构示意图。

图2为三柱式干式变压器铁心简图。

图3为双层铝板及夹层结构阻尼变化规律。

图中，1为纤维夹层，2为硅钢片叠层，3为主级，4为穿轭螺杆，5为紧固 螺杆，6为环氧树脂绑扎带，7为心柱，8为上铁轭，9为下铁轭。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，一种纤维夹层变压器铁心，通常主级3两侧各有5级，每级包含 若干硅钢片叠层2，在相邻硅钢片叠层2之间设置有纤维夹层1。

所述纤维夹层1的厚度为0.3mm、0.38mm或0.5mm；纤维夹层1的材料为 尼龙、锦纶、玻璃纤维等，并且尼龙、锦纶、玻璃纤维的筛孔尺寸为30目至60 目。

所述纤维夹层的厚度为硅钢片厚度的1～1.2倍。

所述纤维夹层的纹理方向与硅钢片轧制方向呈45度。

参见图2，一种纤维夹层变压器铁心的叠积方法，通过硅钢片的叠积工艺， 在变压器铁芯的每级过渡叠层之间设置有纤维夹层，利用穿轭螺杆4、碟形弹簧、 紧固螺杆5、环氧树脂绑扎带6进行叠积，完成纤维夹层变压器铁心的心柱7、 上铁轭8、下铁轭9的装配。铁心叠积工艺流程如下：

1)放主夹件及夹紧铁板；

2)在主夹件及夹紧铁板上放绝缘件；

3)开始叠积前确定铁心叠层的心柱7的安装位置；

4)在心柱7的安装位置上叠积2-3cm后向穿心孔中插入定位销，自下而上 完成各级的叠积，并在每级之间添加纤维夹层，即在每级叠层的过渡部分添加纤 维夹层；

5)叠积完成后拆除定位销，放置绝缘件；

6)向穿心孔中插入紧固螺杆，然后在主夹件上插入穿轭螺杆，在心柱7上 缠绕环氧树脂绑扎带6，完成铁心的装配。其中，主夹件由上铁轭8和下铁轭9 组成；

7)测铁损及噪音；

8)绑扎刷下轭漆；

9)装垫脚及付夹件；

10)翻转；

11)校垂直度；

12)检验；

13)刷漆并烘干。

本发明通过在变压器铁心每级过渡叠层之间添加纤维夹层材料，结合铁心的 叠积方法，不仅能够解决硅钢片叠层在装配过程中所产生的压应力分布不均的问 题，还能提高铁心在微振动下的阻尼、降低硅钢片的磨损、降低铁心结构的振动 噪声、提高硅钢片层级间的绝缘性能，从而使铁心层级之间的损耗降低。

本发明旨在设计一种新型硅钢片组合叠层铁心，利用纤维夹层的介质特征改 善叠层之间的摩擦与阻尼特性，提高叠层之间的阻抗和绝缘性，一定程度上使得 局部压力均匀分布，结合紧固螺杆、环氧树脂绑扎带及碟形弹簧等，提升了铁心 结构的装配质量，有效降低其运行时的功率损耗、结构振动与辐射噪声，从而使 变压器铁心模块的性能和结构最优。

结合多物理场有限元数值仿真分析与大量实验数据的对比验证，利用纤维夹 层、穿轭螺杆(含碟形弹簧)、紧固螺杆等，在特定预紧力下有机组合，实现铁 心结构性能的优化，详细优化过程如下。

a)建立考虑磁致伸缩效应的铁心磁-机械-声场的多物理场分析模型，在三维 瞬态场下采用场路耦合法对变压器的电磁场问题进行有限元分析，同时应用多物 理场耦合软件，比如COMSOL、ANSYS等，将电磁场、结构力场和声场进行有 效的耦合分析，得到变压器的振动和噪声分布结果；

b)改变干式变压器叠层铁心装配螺杆预紧力和约束条件，在硅钢片叠层上 均匀放置多个振动加速度传感器，对铁心进行运行模态测试，获得其运行工作中 的振动特性，利用声强探头获取高压侧和低压侧声强分布，结合变压器的振动和 噪声分布结果，通过合理的纤维夹层厚度和材质设定以及装配螺杆预紧力调整来 获取最优的弹性装配。

本发明通过在每个心柱7的穿心孔(装配定位孔)上安装紧固螺杆5，并使 用环氧树脂绑扎带6，不但增加硅钢片组合心柱的预紧与整体刚度，抑制其重力 影响的平面弯曲，而且提高了叠片系数，改善磁通的路径，相对地减少铁损，一 定程度上抑制了心柱弯曲振动的幅度，从而达到铁心的减振降噪目标。

三柱式干式变压器铁心在地面支撑下可近似为悬臂梁结构，并在实验室进行 了类比验证：选择280*50*2.75mm双层铝板悬臂梁结构作为类比对象，所采用 的夹层材料：30目的厚度为0.5mm的尼龙纤维和60目的厚度为0.38mm的锦纶， 利用Polytec激光测振仪、力锤、数显扭矩扳手等组成振动测试系统，采用自由 振动衰减法计算，得到双层铝板及夹层材料结构阻尼的测试结果，如图3所示。 从测试结果可以看出，对于这种螺栓装配的叠层结构，接合面以及材料本身的阻 尼较小，而加入纤维薄层，可显著提升该组合结构的阻尼比，从而达到理想的减 振降噪目标。其中，采用尼龙纤维夹层的效果最佳。

依照电力变压器声级测试方法(GB/T1094.10)，对按照本发明的方法装配的 干式变压器铁心(普天铁心制造，型号SCB10-630/10)进行噪声测试，保持0.3m 间距，采集12个测点处的声强，穿轭螺杆预紧力矩为30N.m。测试发现：其声 压级为47.035dB；在每级过渡叠层之间添加尼龙纤维夹层材料，在上铁轭8与 下铁轭9的穿轭螺杆4处加入碟形弹簧9，保持同样的预紧力矩，测得声压级为 44.628dB，测试表明这种新型的叠积方法能够有效降低铁心的辐射噪声。