變壓器非晶鋼鐵芯的製作方法

2023-06-14 05:48:26 1

專利名稱：變壓器非晶鋼鐵芯的製作方法
技術領域：
本發明涉及變壓器的非晶金屬鐵芯。
由Ballard和Klappert共同發明並轉讓給本發明同一受讓人的美國專利第4，734，975號中所公開的變壓器與本發明的變壓器屬同一類型，並被引用在本申請書中作為最接近的參考現有技術。這種變壓器包括由許多非晶鋼薄帶製成的鐵芯和分別圍繞在鐵芯腿上的預製線圈部件。這種變壓器的每個預製線圈部件一般是用包絕緣層的金屬線卷繞在空心電絕緣材料的線圈架上製成的。通常，該空心線圈架的內表面圍成矩形的線圈窗口.後者圍繞相關聯的鐵芯腿。該窗口由二面相隔開的通常是平行的端壁和兩面相隔開的側壁結合而成。
上述線圈窗口的截面並非正好是矩形的。一般來說，其側壁的內表面稍微帶些凹形，而其各個角是倒圓角或是斜角形的(由於與預製線圈組工藝有關聯的原因)。這種並非正好是矩形的線圈架使該窗口的截面很難高效率地用來容納鐵芯腿，特別是當鐵芯腿具有用來與該線圈窗口緊密配合的矩形截面的周邊時。側壁的凹形內表面在線圈窗口與這種鐵芯腿之間形成多餘的間隙，而其圓形或斜角形的角又勢必妨礙鐵芯腿各個角的理想定位。
本發明的目的是使這種線圈窗口能得到更有效的利用，特別是在這樣的變壓器內，即，其中被包圍的鐵芯腿由非晶鋼帶沿著從線圈窗口的一個側壁到另一個側壁的方向層疊而成，並且，鋼帶的寬度延展在該線圈窗口的端壁之間。
另一目的是按這樣的方式來構制鐵芯，即，由上述鋼帶構成的鐵芯腿具有與所還線圈窗口截面形狀更接近一致的截面形狀。
上述型式非晶鋼鐵芯製作中的一個步驟是退火工序，該道工序中，在適當溫度條件下烘烤鐵芯以消除前面各製作步驟中形成的剩餘應力。這道退火工序是在將鐵芯腿插入線圈窗口之前完成的。
本發明的另一個目的是在退火期間以這樣一種方式在鐵芯上施加夾緊力，即，使鐵芯腿的截面形狀在退火後與以後要容納鐵芯腿的線圈窗口的截面形狀更接近一致。
實施本發明的一種方式是提供如下製作的非晶鋼鐵芯變壓器的鐵芯和線圈組件。提供一種其窗口總體上(但不精確地)是矩形截面的線圈部件。該線圈窗口由兩面相隔開的通常是平行的端面和兩面隔開的略呈凹形的側面結合而成。還提供一種其鐵芯腿包括許多層疊的，基本對齊的非晶鋼帶的鐵芯，每條鋼帶的兩邊緣以帶的寬度相隔開、而其中心區置於兩邊緣的中央。所述帶寬大致為線圈窗口兩端面間的距離。所述鋼帶的特徵是其中心區有比邊緣區稍大的厚度。在把鐵芯與線圈部件配對前，使鐵芯在某一溫度條件下通過烘烤進行退火以消除其中的剩餘應力，然後，使之緩慢冷卻。退火期間，通過對鐵芯腿的鋼帶的兩邊緣區施加擠壓力來擠壓鐵芯腿，使得在這些邊緣區腿的厚度與擠壓前的厚度相比有所減小，從而，使鐵芯腿截面形狀能與線圈窗口的截面形狀更加一致。在這樣退火和擠壓之後，把鐵芯腿插入線圈窗口中，鐵芯腿的厚度與線圈窗口的所述略呈凹形的面之間的距離相等。
為了更好的理解本發明，必須參照以下的結合附圖的說明，附圖中

圖1是實施本發明的一種變壓器的局部剖面的側視立視圖。變壓器的鐵芯是以剖面示出的，而線圈部件是以局部剖面示出的。
圖2是圖1的線圈部件之一的局部剖面端視圖;
圖2A是圖2的線圈部件內轉角區域的放大截面圖;
圖3是表示製作圖1鐵芯的某些疊片的放大示意圖;
圖4是圖1鐵芯的側面立視圖，其上示出加在鐵芯上的退火用的金屬構件，為簡明起見，圖4中未示出疊片或接合面;
圖5是沿圖4中剖線5-5視向的斷面圖;
圖6是穿過製成的組件的鐵芯腿之一的放大的剖面圖，同時，示出圍繞該鐵芯腿的、構成線圈窗口的絕緣構件。
下面參照圖1，圖中示出的鐵芯和線圈組件包括閉合型的非晶鋼鐵芯10，該鐵芯包括一對隔開的垂直地延伸的腿21和兩水平地延伸的軛19與23，兩軛的上端和下端分別與兩腿互相連接。兩線圈部件28分別圍繞在兩鐵芯腿21上。
鐵芯是由非晶鋼帶材製成的，例如，可從Allied-Signal公司買到的非晶鋼，如Metglas 2605-S2非晶鋼。正如在前述美國專利4，734，975中所公開的，參照其附圖1和1A，可把上述帶材按以下方法製成鐵芯通過卷繞使其形成環形結構4，再沿徑向將該環形結構切斷以形成疊片塊1-2，然後，圍繞芯軸將該疊片塊一組一組地互疊(或嵌套)起來，以形成帶有階梯搭接合面16的環形結構10。產生構成環形結構10的疊片的另一種方法是用平的帶材切成該疊片，即，在適當的位置將帶材切斷，以產生具有適當的長度的疊片。
非晶金屬的每片疊片的標稱厚度僅為一密耳左右，與一般用作變壓器鐵芯的通常厚度為7至12密耳的矽鋼片相比較是非常薄的。因此，最好成組地處理這些疊片，每組疊片最好具有相當於上述矽鋼片一或兩張的厚度。成組而不是單片處理疊片顯著地有助於製作經濟性。
仍參照專利4，734，975的圖1A，在已將鐵晶片疊壘成環形結構以後，把第一底帶或局部環18彎曲成半圓，並把它裝進所述環形結構的圓柱形窗口20中。類似地，把第二底帶或局部環22以與底帶18搭接的關係裝進窗口20中，這些底帶可以用普通的矽鋼芯鋼製成，它有足夠的厚度，例如，七密耳，並有足夠的回彈能力以提供鐵芯疊片12的底層機械支撐(這些疊片幾乎沒有抗鐵芯塌陷的強度)。因為這些非晶金屬鐵晶片還相當脆，所以這些底層局部環在完成各種製作步驟以及在使用期間，還起到保護鐵晶片防止碎裂和折斷的作用。為了給鐵芯疊片12提供上覆支撐物，也可以再用一條七密耳的鐵芯鋼帶的外部鎖定圈24，來夾持住該專利圖1A中可見到的疊壘鐵芯的環形結構10。鎖定圈的底層搭接端由接頭24a構成，該接頭通過在上面搭接端中的鎖定槽24b引出並再折回來，以把包圍該疊壘鐵芯的鎖定圈扣緊。
在如上述已製成該專利的圖1A的環形結構10以後，把結構10放在兩個適當的成形部件(在本申請書的圖4中以94示出)上，後者伸到窗口20，然後迫使這兩個成形部件分開使結構10成形為該專利的圖2中示出的矩形形狀。在這成形步驟之前，用非重疊的較短的底環22a來置換該專利圖1A的底環22。在成形步驟期間，這些較厚的底層局部環18與22a將變成圖2的U形形狀。這些底環的一個功能是在現已成為矩形的鐵芯窗口20的直角轉角20a處賦予足夠大的彎曲半徑(相當脆的非金屬鐵晶片12必須適應該窗口的形狀)，因此，顯著降低折斷的可能性。在鐵芯成形步驟期間，成形部件嵌入鐵芯時，這些底層局部環還可起到緩衝層的作用，有效防止損壞，特別是防止最內層鐵芯疊片的損壞。在成形過程中環繞鐵芯10的外層鎖定圈24，也可起到緩衝層的作用，用於保護最外層鐵芯疊片。
在鐵芯已經加工成所述專利的圖2的矩形形狀以後，將退火板(在本申請書圖4和圖5中已最好地示出，下面即將加以說明)加到靠近每個鐵芯腿的內、外表面的鐵芯上，隨後，鐵芯在適當的退火爐中的磁場下退火。退火是以眾所周知的方式進行的，為的是消除在非晶金屬疊片中的剩餘應力，這些應力包括在切割、疊壘和整形或定形各步驟中所賦予的應力。當退火已經完成時，上面述及的退火板就被拆除，不過是在即將說明的邊緣粘接操作之後。在退火期間，鐵芯被加熱到足以消除非晶金屬疊片中應力的溫度，例如，約360℃，但是，該溫度並不足以對外面的鎖定圈24或所述底層局部環18和22a退火，因為，它們全是通用鐵芯鋼或類似材料製成的。作為退火操作的一部分所述鐵芯被保持在該溫度附近大約4小時，然後緩慢冷卻。
再參考專利4，734，975號的圖2，在已經將鐵芯退火以後，將適當的粘接劑塗到鐵芯兩邊非晶金屬疊片12的露出的側面邊緣上，形成薄層26。該粘接劑是以液體形態塗上的，最好用刷的方式，隨後，它乾結並形成一層有彈性的塗層，就把疊片的邊緣粘接在一起。正如在所述專利的圖2中可見到的，該邊緣接合層沿線26a而中止，它正好不到底層局部環18的自由端18a，或幾乎與其齊平。這樣，接合層26沿著頂軛19的全長，並沿著互相連接的腿21的長度的大部分(中止於離包含接合區17的、與下軛23接合的轉角接合處不遠之處)，把疊片12緊固成一個整體。這樣，當去掉下軛23中通向和包含在接合區17中的幾段疊片、以適應結合專利4，734，975號的圖3和圖4所描述的鐵芯束緊步驟時，有效限制非晶金屬疊片12相互間的亂取向。要指出的是，底層局部環22a是超出邊緣接合層邊界線26a的範圍的，因此，當鐵芯準備圍繞變壓器線圈束緊時，是可自由去除的。然而，底層局部環18和鎖定圈24沿著它們的長度的大部分以邊緣粘接方式粘接到疊片12上。在塗敷粘接劑期間，要很小心以避免疊片間的滲透，由於這會不利地影響鐵芯的損耗。SCOTCH-GRIP 826或SCOTCH-CLAD EC 776是適合的邊緣粘接劑，兩者都可從3M公司買到。
在進行上述邊緣粘接以後，外部鎖定圈24(所述專利的圖2)通過把接頭24a拉直並將它從鎖定槽24b中解開而開啟。隨著由腿21支撐的頂軛19從那裡向下延伸，所述開啟的外圈的非邊緣接合部分回彈到該專利圖3示出的位置。同樣地，下軛的兩半部23a不再受外部鎖定圈的約束，而向下跌落到該專利圖3所示的懸掛位置，在包含在下軛中的接合區17處相互分開。可以看到，邊緣接合層26容易適應打開鐵芯的要求，同時，在它們的周邊長度的大部分範圍內限制疊片12的相對移動。
為便利束緊鐵芯的操作，在局部接合區17和下軛端部處的兩個轉角區之間延伸的下軛的兩半部23a定向成大體上與它們附裝的鐵芯腿21相對準。因此，該鐵芯就基本呈U形外形，具有基本上是直的腿，它們包括原來的腿21和後來對準的軛半部23a。(參見該專利的圖3)這U形結構的延伸的腿能夠容易地滑過兩變壓器線圈組28的窗口28a，該兩線圈組分別適合環抱原來的腿21而只帶很小的間隙。
在這種U形鐵芯結構的延伸腿已被插入線圈組以後，將所述腿結構端頭處的接頭的兩半部分浸入輕質油槽中，如該專利的圖4所例示的，或用這種油進行噴射。然後該接頭的兩半部分被移到重製接合面的位置，並由此重新閉合該鐵芯體。如專利4，734，975中所述，藉助於在接頭的兩半部分上的所述油，便於該接合面的重製。此後，鎖定圈24再次閉合，並且，該接頭24a再次扣緊，以夾住繞在再次閉合鐵芯上的鎖定圈。邊緣接合層26確保當鐵芯再次閉合時疊片12不亂取向。從而，該鐵芯在完成線圈結構的裝配後，仍能基本上呈現與其進行退火時所具有的完全相同的形狀，這樣，在鐵芯束緊期間引入疊片中的所有應力，實際上都有效地得到了消除。
參照本申請的圖2，線圈部件28中的每一個包括低壓線圈128和高壓線圈130，所述高壓線圈圍繞所述低壓線圈，並且，在其間適當地加上了絕緣層。低壓線圈128是通過把由電絕緣材料製成的中空線圈架60置於芯軸(未畫出)上而製作的(該芯軸裝在中空線圈架之內)。然後，把絕緣導線62逐層纏繞在中空的線圈架60上，一直到達到所要求的匝數為止。其後，就把高壓線圈130纏繞在所述低壓線圈128上。然後取掉芯軸;圖2中同時以局部剖面形式繪出了線圈組28的外形。如在本技術領域中眾所周知的，另一種方法是該低壓線圈可以用上下帶有薄絕緣片的導電帶纏繞在線圈架60上面製作的，帶和片兩者的寬度大致等於線圈的高度。
如圖2中所示，中空絕緣線圈架60包括一個大體上矩形截面的線圈窗口28a。該窗口28a由兩面分隔開大體平行的端壁67和兩面分隔開、略帶凹形內面70的側壁69結合而成。每面側壁69由一轉角72與其鄰近的端壁結合。這些轉角72的每一個是倒圓角或是斜角形的，在圖2A的放大視圖中示出典型的斜角形狀。由斜角的，和非直角的、轉角72的特性，以及略微呈凹形的面70的特徵來看，顯然，線圈窗口28a並非確切地是矩形。
如果所述窗口截面正好是矩形的，特別是如果鐵芯腿也有矩形截面的話，當然能夠比較容易地有效利用容納鐵芯腿的線圈窗口截面。但是，由於實際的原因(與線圈組的製作有關聯)，要形成正好是矩形的線圈窗口截面是困難的。倒圓角或斜角的轉角對於防止線圈導體過於銳彎是需要的，而且，側壁的凹形外形對於賦予線圈架60以機械強度也是需要的。
為了能夠更有效地利用線圈窗口28a的截面面積，本發明改變了相關的鐵芯腿21的截面形狀，使得它與線圈窗口的截面形狀更加接近一致。為此，在上述退火操作期間，本發明把擠壓力加到所述鐵芯腿上，該擠壓力具有減小腿的兩個區域中鐵芯腿厚度的效應，該兩區域位於鄰近線圈窗口的兩端壁67之處。
本發明之所以能利用上述擠壓力減小鐵芯腿厚度，是因為由非晶金屬帶材製作的鐵芯疊片，一般說來，其中心區比其邊緣部分略微厚一些(例如，厚5%至20%)。這在本申請的圖3中已進行說明，圖上示出一些在厚度方面已誇大了的，並具有上述厚度差異，以及按鐵芯腿厚度T的方向疊層的疊片。圖3描繪將它們夾緊用於退火以前的這些疊片。由於一般來說這些疊片在貼近它們的邊緣75處比它們的中心區域80略微薄一些，所以在它們的邊緣75區域中各疊片之間將有很窄的空隙82。據此，如果用在貼近邊緣75區域中所加的擠壓力F將各疊片加緊在一起，則邊緣區域中的鐵芯腿厚度將減小，減小的數值基本上等於這些窄間隙82厚度的總和。
參照本申請圖3、4和5，通過對每個鐵芯腿提供夾緊板90和92，能夠在邊緣75的區域中加上擠壓力，該夾緊板具有用於靠壓在鐵芯腿上的凹形形狀的夾緊面。當將夾緊板擠壓在一起時，它們將壓在鐵芯腿貼近邊緣75區域中的外部和內部表面上。
為了把夾緊板擠壓在一起，本發明依靠成形塊94和一對鋼夾緊帶條95，每條帶環繞住整個鐵芯體。在上述將鐵芯從圓形轉變成矩形形狀的成形操作之後，成形塊就留在位置上。在所述成形塊的每一端，將一塊內夾緊板92插到一個鐵芯腿的內表面與所述成形塊端頭之間。在每個鐵芯腿的外部表面處加上另一個夾緊板90。如圖4和5中所示，帶條95環繞鐵芯體，圍繞兩個鐵芯腿14和兩個外部夾緊板90延伸。
當正好在鐵芯退火以前把帶條95繫緊時，強制地將每個腿的每個側面處的夾緊板90和92合在一起，從而擠壓它們之間的鐵芯腿，在這種夾緊期間，成形塊94在內面夾緊板92之間保持一個固定的間隔。在帶條繫緊以後，每條帶95上的一個通用繫緊接頭97把條帶夾持在其繫緊狀態中，這樣就在隨後的退火操作期間，每一腿上保持著擠壓力。
如以上所指出的，由繫緊夾緊帶所產生的擠壓力減小鐵芯腿在貼近疊片邊緣75區域中的厚度。這具有使鐵芯腿除靠近圖5的中間面99之外的那些疊片彎曲或弓彎的效應。這樣的彎曲量隨著與中間面99距離的加大而增加。退火操作起到消除由這種彎曲或弓彎而在非晶金屬疊片中產生的任何剩餘應力的作用。
在退火以後，當夾緊板90、92和條帶95仍在原有位置上時，將上述接合層26加到鐵芯腿兩側上疊片12的暴露的側面邊緣75上。當該粘接劑乾結時，把疊片12的邊緣區粘接在一起，並且，使疊片保持在夾緊退火期間所佔有的位置上。只有在粘接劑已乾結，並使疊片已接合在一起以後，才去掉夾緊板90、92和條帶95。如前已指出的，該粘接劑還粘接內部底圈18和外部鎖定圈24，並由此使這些圈保持在一種略微弓彎的狀態，同時，與有關聯的鐵芯腿的其餘部分保持緊密的適配接合。
圖6提供有關鐵芯腿21的示意性說明圖，如上所述在截面部分進行了改進，具有一個更緊密地符合於線圈窗口28a截面形狀的截面外形。在疊片的邊緣75處腿的減小了的厚度使鐵芯的轉角區得以避開線圈窗口轉角72處的斜角，並且，外部和內部疊片的弓形外形使鐵芯腿的外部和內部表面能夠更加緊密地與線圈窗口貼近的凹形內表面相符。粘接邊緣的粘合劑在圖6中以26示出。
藉助於提供一種更加緊密地與線圈窗口相符的鐵芯腿截面形狀，使線圈窗口可以製作得更小些，這意味著對於線圈導體來說，可以用較短的導線，而且線圈部件所佔有的空間將更小些。這些特徵導致製作方面的經濟性。
雖然在此之前夾緊板在退火期間已被利用作為夾緊非晶金屬鐵芯的腿，但是就本發明人所知道的這些板基本上是平的構件，典型地是使主要的夾緊力加到鐵芯腿的中心區100上(參見圖5)，以及構成鐵芯腿疊片12的中心區上。在某些情況下，當採用這種平的夾緊板時，通過夾緊帶產生的夾緊力沿著鐵芯的一側在平板邊緣處把所述板拉緊在一起，但沿著鐵芯的相對側在平板邊緣處使它們分離，也就是說，導致夾緊板的傾斜，一般來說，位於貼近繫緊接頭97的平板邊緣處將所述板拉緊在一起。夾緊板的這種傾斜效應使鐵芯腿在一側顯著地比另一側薄。這是不希望有的，因為它使較後施加的粘接劑(26)在鐵芯較厚側上的疊片之間滲透。這樣進一步加大在腿的相對側處鐵芯腿厚度中的差異。該後者形式的鐵芯腿比完全是矩形的鐵芯腿對線圈窗口的截面形狀具有甚至更少的一致性。
雖然，最好是對每個鐵芯腿在鐵芯腿厚度的兩側採用凹形夾緊板，但是，如果只用一塊凹形板的話，仍然可以體會到本發明的某些優點，這時最好外側夾緊板是凹形形狀，而內側板是平面形狀的。因此，本發明的主要方面是打算綜合一種方法，該方法只用一塊這樣的凹形夾緊板，並由此得到鐵芯體。另外，在某些變壓器中，線圈部件的中空線圈架60其最後形狀將具有基本上是平面的一個側壁(69)，而另一側壁(69)則如示出的那樣仍基本上保持為凹形的。在為這種變壓器製作鐵芯時，在退火期間只在鐵芯腿的一側採用一塊凹形夾緊板(例如，圖5的90)，如圖中所示，使腿的這一側面稍微呈凸形。該腿的凸面是這樣定位的，即當該腿插進這線圈部件時，腿的凸面貼近線圈架60的凹面，這樣的鐵芯腿與繞線圈架60之間就能產生所要求的緊密配合。在該實施例中，對準備定位貼近線圈部件的線圈架60基本是平面側壁的鐵芯腿側面進行退火期間，採用基本上是平的夾緊板。
儘管以上示出並描述了本發明的一個具體實施例，但顯然對於熟悉本行技術的人，在不脫離本發明的主要方面的情況下，可以作出象上一節所述的各種變化和修改，因此，本申請打算涉及本發明精神實質和範圍內的所有變化和修改。
權利要求
1.一種用於變壓器的非晶鋼鐵芯，它包括適合於緊密裝配在線圈部件窗口內的腿，該腿包括a)沿著鐵芯腿厚度方向層疊的非晶鋼層疊鋼帶，每條鋼帶具有被帶寬相隔開的兩個邊緣和位於所述兩個邊緣中央的中心區，該鋼帶的特徵是其中心區比邊緣區有稍大的厚度，以彼此緊密接合的方式確定鋼帶中心區每側的相鄰鋼帶的邊緣區的位置，因此，該鐵芯腿在每個邊緣區的厚度比在鋼帶中心區的厚度減小，以及b)在所述中心區每側的鋼帶邊緣上的粘性接合劑層，該層用於保持所述鐵芯腿在所述每個邊緣區的所述減小的厚度。
2.權利要求1的鐵芯，其特徵在於a)所述鐵芯腿在其厚度方向上的相對的兩側具有內表面和外表面，以及b)使鄰近所述表面之一的非晶鋼帶彎曲而使所述一個表面呈現凸形結構。
3.權利要求2的鐵芯，其特徵在於將基本上與所述非晶鋼帶同樣寬度的結晶金屬帶的保護帶定位在所述一個表面上，並且，該保護帶具有與非晶鋼帶的邊緣基本對齊的邊緣，並且，該邊緣被用粘接劑粘接到非晶鋼帶的所述對齊的邊緣上。
4.權利要求1的鐵芯，其特徵在於a)所述鐵芯腿在其厚度方向上的相對的兩側具有內表面和外表面，以及b)使鄰近每個所述內、外表面的非晶鋼帶彎曲而使每個所述內、外表面呈現凸形結構。
5.權利要求4的鐵芯，其特徵在於將基本上與所述非晶鋼帶同樣寬度的結晶金屬的兩個保護帶分別定位在所述鐵芯腿的所述內、外表面上，所述保護帶具有與非晶鋼帶的邊緣基本對齊的邊緣，並且，該邊緣被用粘接劑粘接到非晶鋼帶的所述對齊的邊緣上。
全文摘要
變壓器的非晶鋼鐵芯，該變壓器具有非晶鋼鐵芯和圍繞該鐵芯腿的線圈，其中，將該鐵芯腿的截面加工成非常接近包圍該鐵芯腿的線圈窗口的形狀。
文檔編號H01F27/24GK1065156SQ9210216
公開日1992年10月7日 申請日期1989年7月29日 優先權日1988年8月29日
發明者唐納德·埃默森·巴拉德 申請人:通用電氣公司