對稱三角形節能變壓器卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法

2023-08-10 00:42:16 1

專利名稱：對稱三角形節能變壓器卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法
技術領域：
本發明涉及一種變壓器卷鐵芯製造，尤其是一種用於三相對稱三角形圓截面卷鐵芯變壓器的卷鐵芯展開帶裁剪的方法。
背景技術：
三角形圓截面卷鐵芯變壓器是新一代的變壓器產品，它的鐵芯結構不同於以往的疊積式的鐵芯結構，從以前的疊積式發展到現在的卷繞式，對於變壓器的製造來說要有質的飛躍，而且鐵芯製造的好壞對變壓器的影響也是非常大的，因此在鐵芯剪裁技術上要有新的技術方法被提出。
以現在日趨比較成熟運用比較廣的S11系列的變壓器為例，其鐵芯主要有疊積式和卷繞式兩類。雖然已大規模的推廣S11卷繞式變壓器的使用，但由於新型對稱結構的三角形變壓器和它在結構上的很大不同，將導致不能將目前的鐵芯裁剪算法及技術直接運用於三角形變壓器。為了說明結構的不同，現在將以S11系列的三相日字型為例，來說明同樣是卷繞式的鐵芯，為何三角形結構變壓器的卷鐵芯需要在算法上有所突破。下面就其結構進行對比，三相日字形卷鐵芯和三相三角形卷鐵芯的截面示意圖和卷繞方式的對比，如圖1所示，可以看出雖然都是卷繞而成，但是由於三角形結構的卷鐵芯的任意兩相要構成60°的夾角，所以任意一相鐵芯在繞制後是如圖所示的60°不同於日字形的90°，因此繞制所需的料帶寬度和長度的關係複雜化，剪裁也變的不易。
目前，生產三角形結構的變壓器，在技術和生產能力上明顯不足。一方面，材料利用率方面沒有得到重視和解決，因為三角形結構的變壓器相對於傳統的變壓器來說，它的裁剪更加不規則，而要想在規則的矩形原始料帶上能夠高利用率的裁剪出不規則料帶是一個技術突破口，因為這個技術的解決除了能為生產商帶來可觀經濟效益，更重要的是在國家把節能作為首要戰略目標下，其技術方案的提出也是有舉足輕重的作用。另外一方面，生產出的變壓器種類單一，而這就是因為在技術理論上不夠完備。因此從三角形變壓器的本質結構特徵出發，建立出節材型鐵芯截面模型，提出一套完備的節材鐵芯截面的算法公式以及節材裁剪算法，把具體實際的東西理論化，系統化，生產商能夠根據該設計方法可以設計出多樣化的變壓器來滿足各種用戶的需求。

發明內容
本發明所要解決技術問題是在規則的矩形原始料帶上能夠高利用率的裁剪出不規則料帶，而提供一種對稱三角形節能變壓器卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法，該方法分析了三角形立體結構的新型變壓器的卷繞特點和優化卷鐵芯截面形狀，從而用逆向思維方法推導出卷繞所需要的料帶任意時刻的長度和寬度的關係式，根據三角形結構三相鐵芯中一相的長度、寬度，便可以根據算法所得到的數據生產任意容量(功率)的變壓器，而且針對料帶的非規則性進而制定出裁剪料帶時的節材方案。
本發明的技術方案是一種變壓器卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法，其具體設計步驟如下(1)建立卷鐵芯截面數學模型以及在建模過程中節材鐵芯的截面是由多個小矩形組成，矩形長度為矽鋼片的寬度，矩形的寬度為矽鋼片的厚度；裁剪出變壓器的鐵芯料帶首先要知道鐵芯每圈的長度和寬度，相鄰兩圈曲料的長度之差相等；(A)建立卷鐵芯截面數學模型首先建立截面圓的圓心為圓點的坐標系，其中r鐵芯截面的半徑，Sh鐵芯起始寬度，Ew為鐵芯的終止寬度；把料帶分段在S→B這一段曲料中，隨著x=oxwx]]>的逐漸減小，曲料的寬度逐漸平滑而緩慢地增加，把BS這一段劃分為同一段料帶，而在B→O的過程中，隨著x=cxwx]]>的逐漸減小，曲料的寬度逐漸平滑而緩慢地減小，把 這一段劃分為同一段料帶，而在O→D的這一段曲料，隨著x=oxwx]]>的逐漸增加，曲料的寬度連續而快速地減小；(B)建模過程中節材把鐵芯截面中o1d1段中的圓弧改成直線，當用斜線替代圓弧後，在一塊長方形原材料中裁剪得到同樣的兩塊曲料，適當地選擇原材料的長度和寬度，材料理想利用率就達到100％；具體方法是在 上取一點C把o1c1和c1d1的圓弧用直線來代替，其中C點的選取將根據Em的不同而有所不同，根據實際的情況進行調整，以儘可能接近圓弧形為目標，以便能在相同的截面半徑時達到儘可能大的截面面積；若要保持儘可能大的圓面積同時也要求終止寬度EW儘可能小，以保證最大的圓面積，但也不能過小，否則裁剪時會造成料帶的浪費，一般取值範圍為(0.08r～0.1r)；設x=oxwx,]]>在O→C這段曲料中，曲料的寬度在0x|OC|]]>按一確定的斜率有規則地減小，在C→D這段曲料中，那麼這一段曲料的寬度在|OC|x(4r2-EW2-3EW)/4]]>上按另一確定的斜率有規則地減小；設x為S→D上的一個點，而x=oxwx,]]>得出曲料的寬度hx在S→D上統一的算法hx=2r2-x2(r/2xr2-Sh2/4)3x+r2-x2(0xr/2)r-r-r2-x2+3x|OC|x(0x|OC|)r-4(r-Ew)4r2-Ew2-3Ewx(|OC|x4r2-Ew2-3Ew4)---(1)]]>(2)裁剪時節材根據式(1)，分 及 四部分，把曲料按中軸線疊加，使曲料的一邊變成直邊；在同一塊原始料帶上反對稱式的裁減同種曲料，其中任意一相鐵芯的繞制分 及 四部分進行，相當於裁剪四類起始寬度、最寬寬度及長度均不相同的曲料；或在同一塊原始料帶上裁剪同種類型曲料，其中，原始料帶的寬度等於兩個同種料帶類型成180°對稱的兩個寬度之和的最大值即{max(hki+hki),K=1,2,,3,4},]]>K的取值表示 及 這四部分的序列號。
本發明的有益效果是本發明的設計方法可以根據實際需求，高利用率的設計出所需要的類型。從實際應用角度來說，其優點之一，根據本發明的設計方法用C語言來實現的鐵芯輔助裁剪系統，可以完成高效化的設計，可以完全由計算機來完成對數據的處理，如果將系統嵌入到網絡化製造平臺中，那對將來以後三角形卷鐵芯變壓器的網絡化製造來說也將有非常重大的意義；優點之二就是式(1)的算法可以用於任何的圓截面的卷鐵芯例如單相型的，三相日字型等等；從經濟效益來講，如果疊片係數取0.97，材料厚度取0.3mm，修圓寬度為3mm，當所設計的變壓器鐵芯窗長為800mm，鐵芯窗寬為600mm，鐵芯料帶的起始寬度為15mm，斜邊寬度的取值為12mm，計算可得出材料的利用率可達到98.6％以上，而卷鐵芯的橫截面積是相同直徑圓面積的98.5％以上，並且鐵芯也只被分成四段來裁剪，具有較好的綜合效果。


圖1是三相日字形卷鐵芯(左)和三相三角形卷鐵芯(右)截面及卷繞方式示意圖；圖2是三角形圓截面卷鐵芯變壓器鐵芯建模後的示意圖；圖3是三角形圓截面卷鐵芯變壓器鐵芯 部分的曲料裁剪示意圖；圖4是處理後的曲料形狀示意圖；圖5是在同一塊原始料帶上裁剪不同曲料的示意圖；圖6是在同一塊原始料帶上裁剪同種類型曲料的示意圖；圖7是 段內算法實現流程圖；圖8是求 的進料寬度的程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
本發明的變壓器卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法，其具體設計步驟如下(1)卷鐵芯截面數學模型的建立以及在建模過程中考慮到的節材方案(A)圖1(右)所示的鐵芯的截面是由一個個的小矩形組成，矩形長度就是矽鋼片的寬度，矩形的寬度就是矽鋼片的厚度。當鋼矽片很薄，圈數很多的時候，只要適當地裁剪矽鋼片，就可以得到寬度按一定規律隨長度變化的曲料，從而使鐵芯的截面達到預期的形狀，符合製造的要求。所以要裁剪出變壓器的鐵芯料帶就要知道鐵芯每圈的長度和寬度，相鄰兩圈曲料的長度之差應該都是相等的。
由於料帶在設計和裁剪的過程中必須要有一個鐵芯的起始寬度和一個鐵芯的終止寬度，所以它的截面只能是近似為一圓形，由於鐵芯的三相是相同的，因此只要分析其中的一相的截面，即圖1(右)中的一個半圓。為了更好的解決這個問題把實際問題數學化，建立以圖1(右)截面圓的圓心為圓點的坐標系如圖2所示。在推導之前先給出要用到的數據r鐵芯截面的半徑，Sh鐵芯起始寬度，Ew為鐵芯的終止寬度，把料帶分段考慮在S→B這一段曲料中，隨著x=oxwx]]>的逐漸減小，曲料的寬度逐漸平滑而緩慢地增加，所以可以把BS這一段劃分為同一段料帶，而在B→O的過程中，隨著x=cxwx]]>的逐漸減小，曲料的寬度逐漸平滑而緩慢地減小，所以也可以把 這一段劃分為同一段料帶。而在O→D的這一段曲料，隨著x=oxwx]]>的逐漸增加，曲料的寬度連續而快速地減小。
(B)建模過程中考慮到的節材方案在鐵芯套裁時，當曲料的寬度快速地減小時，原材料的利用率就不高，這樣將會大量浪費原材料，為了節約成本，提高材料的利用率，在設計鐵芯的時候可以作如下改動，把鐵芯截面中o1d1段中的圓弧改成直線，當用斜線替代圓弧後，在一塊長方形原材料中裁剪可以得到同樣的兩塊曲料，只要適當地選擇原材料的長度和寬度，材料理想利用率就可以達到100％。但是在整段o1d1上用直線替代弧形，將造成截面圓形的嚴重失真，對相同的鐵芯截面半徑，鐵芯的截面積也將大大減小，這不符合在鐵芯設計中相同的截面半徑要求有儘可能大的截面面積的要求。
綜上，可以 上取一點C把o1c1和c1d1的圓弧用直線來代替，其中C點的選取將根據Em的不同而有所不同，設計者可以根據實際的情況進行調整，以儘可能接近圓弧形為目標，以便能在相同的截面半徑時達到儘可能大的截面面積。
若要保持儘可能大的圓面積同時也要求終止寬度EW儘可能小，以保證最大的圓面積，但也不能過小，否則裁剪時會造成料帶的浪費，一般取值範圍為(0.08r～0.1r)。這樣，設x=oxwx,]]>在O→C這段曲料中，曲料的寬度在0x|OC|]]>按一確定的斜率有規則地減小，在C→D這段曲料中，那麼這一段曲料的寬度在|OC|x(4r2-EW2-3EW)/4]]>上按另一確定的斜率有規則地減小。綜合上面的介紹，假如設x為S→D上的一個點，而x=oxwx,]]>那麼就可以得出曲料的寬度hx在S→D上統一的算法，見式(1)
hx=2r2-x2(r/2xr2-Sh2/4)3x+r2-x2(0xr/2)r-r-r2-x2+3x|OC|x(0x|OC|)r-4(r-Ew)4r2-Ew2-3Ewx(|OC|x4r2-Ew2-3Ew4)]]>式(1)(2)裁剪時的節材方案由式(1)得出的是根據規格要求反推出的曲料寬度和長度的變換公式，下面是闡述根據在得知曲料長寬關係式後，裁剪時的節材方案。根據算法式1)，在這裡分 及 四部分考慮。四部分的節材原理相同，這裡我們以 段來說明，在實際的圓形截面三相鐵芯生產過程中，在裁剪繞制 段所需料帶時，如果不加於任何措施，因為曲料的形狀兩面都是弧形，剪裁軌跡就會如圖3所示，裁剪曲料時就會造成材料的浪費。大量的矽鋼片被當作廢料浪費掉了。所以，節材的設計是必須的。為了能夠很好的節省材料，需要做一些處理。我們在設計的時候把曲料按中軸線疊加，如圖4所示。這樣，曲料的一邊就變成直邊了，方便我們在矩形的料帶中安排開料。而開料方案就是在同一塊原始料帶上反對稱式的裁剪同種曲料，因為其中任意一相鐵芯的繞制分 及 四部分進行，相當於要裁剪四類起始寬度、最寬寬度及長度均不相同的曲料，而按照如圖5所示方案在同一塊原始料帶上裁剪不同曲料的廢料顯而易見比較多，所以採取如圖6所示的在同一塊原始料帶上裁剪同種類型曲料的方案。而採取圖6所示的方案後，需要確立廠家購進的原始料帶的寬度，此時原始料帶的寬度已經不是傳統意義上的進料寬度等於曲料的最寬寬度，而是等於兩個同種料帶類型成180°對稱的兩個寬度之和的最大值即{max(hki+hki),K=1,2,,3,4},]]>K的取值表示 及 這四部分的序列號。圖7中的h1i， 和W1分別表示 第i圈，第N1-i-2圈的展開帶寬度。
本發明的具體實施過程分兩步進行(1)如何通過鐵芯截面模型算法得到廠家裁剪變壓器鐵芯所需要的裁剪數據的具體實施方案如圖4中白色部分為裁剪後的形狀，邊緣部分實際為鋸齒狀，也就是說有幾個臺階便有幾圈，即在裁剪任意一圈的時候控制的是長度，寬度是不變的，在上一圈裁剪完後，下一圈的寬度再發生改變。相鄰兩圈曲料的長度之差應該都是相等的，因為相鄰兩圈的繞制半徑只差一個常數-等於矽鋼片的厚度。所以單圈曲料的長度將構成一個等差數列，其中公差(2π×d)/a，其中a為卷鐵芯的疊片係數，d為矽鋼片的材料厚度。已知修圓寬度Rh，修圓半徑Xr＝(Rh×2)/π，最內圈的長度as＝(L+H)×2-8Xr+4Rh根據算法式(1)中的公式hx=2r2-x2(r/2xr2-Sm2/4)]]>可推理出圖3中的 段的裁剪數據h1i=2r2-[r2-Sh2/4-(i-1)]2s1i=ias+2i(i-1)2d]]>式(2)(i表示 部分的圈數，h1i表示 部分第i圈的寬度，S1i表示 部分第i圈時的料帶長度，i＝1，2...，N1)同理， 及 的裁剪數據依次如下h2i=3(r/2-id)+r2-(r/2-id)2s2i=(i+1)as+2N1(i+1)d+2i(i+1)id]]>式(3)(i表示 部分的圈數，h2i表示 部分第i圈的寬度，s2i表示 部分第i圈時的料帶長度，i＝1，2...，N2)h3i=r-(r-r2-(id)2+3id)|OC|s3i=(i+1)as+2(N1+N2)(i+1)d+2i(i+1)id]]>式(4)(i表示 部分的圈數，h3i表示 部分第i圈的寬度，s3i表示 部分第i圈時的料帶長度，i＝1，2...，N3)
h4i=r-4(r-EW)4r2-EW2-3EW(|OC|+id)s4i=(i+1)as+2(N1+N2+N3)(i+1)d+2i(i+1)id]]>式(5)(i表示 部分的圈數，h4i表示 部分第i圈的寬度，s4i表示 部分第i圈時的料帶長度，i＝1，2...，N4)以上N1、N2、N3、N4分別表示 及 這三部分的圈數，並且N1=r2-Sh2/4-r/2,]]>N2＝r/(2×d)，N3=|OC|/d,]]>N4=(r2-|OC|)/d.]]>斜邊寬度 的取值由廠家任意設定其範圍在(0~r/2)。
裁剪料帶最關鍵的數據是長度和寬度，根據式(2)~式(5)，可以很容易用C語言循環語句來得出每一圈的長度和寬度，並可以模擬顯示實際裁剪的軌跡示意圖，如圖12。在Visual C++6.0的軟體平臺下，以 部分的為例來說明，其它三部分可按照類似的方法來做，只是從式(2)到式(5)公式的替換而已。
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for(i＝0；i＜m_n1，i++){s1[i]＝i*m_a+2*pi*i*(i-1)*m_d/2for(t＝0；t＜1；t+＝0.001){X11＝K2*(i*m_znl+2*pi*0.5*m_d*i*(i-1))；X12＝K2*((i+1)*m_znl+2*pi*0.5*i*(i+1)*m_d)；B1.x＝(int)(X11+(X12-X11)*t)；B1.y＝(int)(2*K1*sqrt(m_r*m_r-(sqrt(m_r*m_r-0.25*m_Sh*m_Sh)-i*m_d)*(sqrt(m_r*m_r-0.25*m_Sh*m_Sh)-i*m_d)))；pDC-＞LineTo(B1)；B＝B1；pDC-＞MoveTo(B)；}}........................
附K1，K2便於在計算機上顯示剪裁的軌跡而依具體情況而定的縮放尺寸m_znl該部分段的最內圈的長度(此 部分的為as的大小)，m_d料帶厚度，m_Sh起始寬度，m_r截面半徑的大小，m_n1|SB|段內料帶的圈數，i用來控制|SB|段的圈數，s1[i]用來存儲第i圈的長度，(B1.x，B1.y)為顯示軌跡的坐標點，B1.y存儲的是每圈的寬度，t控制動態圖像的顯示步長，B、B1為動態顯示的二維坐標點，X11、X12為程序的中間參數。(說明程序中的i是從零開始取的)。流程圖如圖7(2)根據發明內容(2)中的裁剪時的節材方案，如何實現以省材為目的的套裁。
由發明內容(1)和式(2)~式(5)可推導出如下式(6)~式(9)h1i=2r2-[r2-Sh2/4-(N1-i)]2---(6)]]>h2i=3(r/2-(N2-i)d)+r2-(r/2-(N2-i)d)2---(7)]]> h4i=r-4(r-EW)4r2-EW2-3EW(|OC|+(N4-i)d)---(9)]]>採取圖6的套裁方案，根據發明內容(2)中的式(6)~式(9)，然後再用C語言循環語句實現當{1≤i≤NK，K＝1，2，3，4}時，求得 作為第K部分段的進料寬度WK(K＝1，2，3，4)，K表示 及 這四部分的序列號。下面以 部分為例，具體闡述如何實現進料寬度的實現。
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w＝2*(m_r*m_r-(sqr(m_r*m_r-0.25*m_Sh*m_Sh)))+2*sqr(m_r*m_r-(sqr(m_r*m_r-0.25*m_Sh*m_Sh)-(m_n1-1)))；for(i＝1；i＜m_n1；i++){w[i]＝2*sqr(m_r*m_r-(sqr(m_r*m_r-0.25*m_Sh*m_Sh)-(i-1))+2*sqr(m_r*m_r-(sqr(m_r*m_r-0.25*m_Sh*m_Sh)-(m_n1-i))；if(w[i]＞w
)w＝w[i]}...............................
附流程圖如圖8，各部分的料帶總長度s1i，s2i，s3i，s4i，取值分別為當{1≤i≤NK，K＝1，2，3，4}時的求和值。根據式(2)，式(3)，式(4)，式(5)每一圈的料帶的長寬是可求的，鐵心每一圈的展開形狀是矩行，因此很容易求出每一圈用掉的原始料帶的面積，再把每一圈的展開面積求和得到有效的用料面積S，則 就是各部分的利用率，如果要知道總的利用率再對 及 這四部分的利用率再求和。
綜上所述，為鐵芯展開帶的設計實施方案。如果用程序語言來具體實現上述實施方案，將可以生成一個節能三角形圓截面卷鐵芯變壓器的展開帶裁剪輔助設計系統。
權利要求
1.一種對稱三角形節能變壓器卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法，具體設計步驟如下(1)建立卷鐵芯截面數學模型以及在建模過程中節材鐵芯的截面是由多個小矩形組成，矩形長度為矽鋼片的寬度，矩形的寬度為矽鋼片的厚度；裁剪出變壓器的鐵芯展開料帶首先要知道鐵芯每圈的長度和寬度，相鄰兩圈曲料的長度之差相等；(A)建立卷鐵芯截面數學模型首先建立截面圓的圓心為圓點的坐標系，其中r鐵芯截面的半徑，Sh鐵芯起始寬度，Ew為鐵芯的終止寬度；把料帶分段在S→B這一段曲料中，隨著x=oxwx]]>的逐漸減小，曲料的寬度逐漸平滑而緩慢地增加，把BS這一段劃分為同一段料帶，而在B→O的過程中，隨著x=cxwx]]>的逐漸減小，曲料的寬度逐漸平滑而緩慢地減小，把 這一段劃分為同一段料帶，而在O→D的這一段曲料，隨著x=oxwx]]>的逐漸增加，曲料的寬度連續而快速地減小；(B)建模過程中節材把鐵芯截面中o1d1段中的圓弧改成直線，當用斜線替代圓弧後，在一塊長方形原材料中裁剪得到同樣的兩塊曲料，適當地選擇原材料的長度和寬度，材料理想利用率就達到100％；具體方法是在 上取一點C把o1c1和c1d1的圓弧用直線來代替，其中C點的選取將根據Em的不同而有所不同，根據實際的情況進行調整，以儘可能接近圓弧形為目標，以便能在相同的截面半徑時達到儘可能大的截面面積；若要保持儘可能大的圓面積同時也要求終止寬度Ew儘可能小，以保證最大的圓面積，但也不能過小，否則裁剪時會造成料帶的浪費，一般取值範圍為(0.08r～0.1r)；設x=oxwx,]]>在O→C這段曲料中，曲料的寬度在0x|OC|]]>按一確定的斜率有規則地減小，在C→D這段曲料中，那麼這一段曲料的寬度在|OC|x(4r2-EW2-3EW)/4]]>上按另一確定的斜率有規則地減小；設x為S→D上的一個點，而x=oxwx,]]>得出曲料的寬度hx在S→D上統一的算法hx=2r2-x2(r/2xr2-Sh2/4)3x+r2-x2(0xr/2)r-r-r2-x2+3x|OC|x(0x|OC|)r-4(r-Ew)4r2-Ew2-3Ewx(|OC|x4r2-Ew2-3Ew4)---(1)]]>(2)裁剪時節材根據式(1)，分 及 四部分，把曲料按中軸線疊加，使曲料的一邊變成直邊；在同一塊原始料帶上反對稱式的裁剪同種曲料，其中任意一相鐵芯的繞制分 及 四部分進行，相當於裁剪四類起始寬度、最寬寬度及長度均不相同的曲料；或在同一塊原始料帶上裁剪同種類型曲料，其中，原始料帶的寬度等於兩個同種料帶類型成180°對稱的兩個寬度之和的最大值即{max(hki+hki),K=1,2,3,4},]]>K的取值表示 及 這四部分的序列號。
全文摘要
本發明涉及一種對稱三角形結構的卷鐵芯展開帶裁剪節材設計方法，其設計步驟是(1)建立卷鐵芯截面數學模型以及在建模過程中節材(A)建立卷鐵芯截面數學模型；(B)建模過程中節材(2)裁剪時節材。本發明利用所建數學模型的算法可以用於任何的圓截面的卷鐵芯例如單相型的，三相日字型，三相對稱三角型等；如果疊片係數取0.97，材料厚度取0.3mm，修圓寬度為3mm，當變壓器鐵芯窗長為800mm，鐵芯窗寬為600mm，鐵芯料帶的起始寬度為15mm，斜邊寬度的取值為12mm，可得出材料的利用率達到98.6％以上，而卷鐵芯的橫截面積是相同直徑圓面積的98.5％以上，並且鐵芯也只被分成四段來裁剪，具有較好的綜合效果。
文檔編號H01F3/00GK101090030SQ20071004058
公開日2007年12月19日 申請日期2007年5月11日 優先權日2007年5月11日
發明者郭放, 石金華, 唐姝旻, 柳翔飛 申請人:東華大學