變壓器繞組的製造方法
2023-10-10 11:26:59
專利名稱：變壓器繞組的製造方法
技術領域：
本發明主要涉及用於電源變換的變壓器。更具體地，本發明涉及製造變壓器繞組的方法。
背景技術：
通常通過連續纏繞導電體，例如銅或鋁線，形成變壓器繞組。可在芯棒或直接在變壓器的繞組腿上纏繞導電體。將該導電體纏繞為相鄰的許多線匝，以形成第一層線匝。接著用第一層絕緣材料包圍該第一層線匝。在第一層絕緣材料上將導電體纏繞為第二重多個線匝，因此形成第二層線匝。
接著在第二層線匝上放置第二層絕緣材料。然後在第二絕緣層上將導電體纏繞為第三重多個線匝，因此形成第三層線匝。可重複上述過程，直至形成預定數量的線匝層。
塗覆有熱固性環氧樹脂菱形圖案的牛皮紙(通常稱為「DPP紙」)通常用作變壓器繞組中的絕緣材料。包括DPP紙的變壓器繞組通常在以上述方式纏繞後加熱。溫度需熔化並固化粘附於DPP之上的環氧樹脂，並因此使DPP紙與相鄰的(各)導電體層結合。可通過將變壓器繞組置於熱空氣對流加熱爐(hot-air convection oven)(或其它合適的加熱設備)中將變壓器繞組加熱預定的時間段。
將變壓器繞組轉移至熱空氣對流加熱爐以及後續的熱處理可增加與製造變壓器繞組關聯的周期。此外，熱空氣對流加熱爐的能量需求可增加變壓器繞組的整體製造成本。另外，使用熱空氣對流加熱爐難以在變壓器繞組中實現均勻的加熱(和固化粘合劑)。因此，難以獲得絕緣材料的各個特定層與導電體間的充分接合(特別是在絕緣材料和導電體的最裡層之間)。
發明內容
製造變壓器繞組的優選方法包括將導電體纏繞為第一重多個線匝，在第一重多個線匝上放置其上具有粘合劑的電絕緣材料，並且在該電絕緣材料上將導電體纏繞為第二重多個線匝。該優選方法還包括通過為導電體加電使大於變壓器繞組額定電路的電流流過該導電體，熔化並固化粘合劑。
變壓器繞組的優選製造方法包括將導電體與電源電氣連接，並用該電源為該導電體加電，使電流流過導電體並加熱導電體，因此導致粘合劑的熔化或固化，其中變壓器繞組包括第一和第二層導電體線匝，以及位於第一與第二層線匝之間並在其至少一面上具粘合劑的電絕緣材料。
固化變壓器繞組中的絕緣材料上的粘合劑的優選方法包括使大於變壓器繞組額定電流的電流通過該變壓器繞組，以將該變壓器繞組加熱至適合固化粘合劑的溫度範圍中的溫度，以及調節大於變壓器繞組額定電流的電流，以在適合固化該粘合劑的溫度範圍中將變壓器繞組的溫度保持預定時段。
當結合附圖閱讀時，可更好地理解前述內容和後面的優選方法的詳細說明。出於說明發明的目的，各附圖表示目前優選的實施例。然而，本發明並不限於圖中公開的具體手段。在圖中圖1為具有初級繞組和次級繞組的變壓器的側視圖，其遵照製造變壓器繞組的優選方法製造；
圖2為圖1中所示的初級繞組和繞組腿的側視圖；圖3為圖1和圖2中所示的初級繞組和繞組腿的放大剖面圖；沿圖2的線「A-A」方向；圖4為圖2中由「B」表示的區域的放大視圖，其顯示了圖1-3中所示的變壓器絕緣紙的細節；圖5為圖1-4中所示的初級繞組的示意圖，其電氣連接至直流(DC)電源，可變功率調節器，電壓計以及電流計。
具體實施例方式
此處說明製造變壓器繞組的優選方法。結合圓柱形變壓器繞組說明該優選方法。該優選方法也可應用於其它形狀的繞組，例如圓形、具有彎曲側邊的矩形、橢圓形等。
該優選方法可用於製造圖1所示的三相變壓器100的繞組。該變壓器100包括常規的層疊鐵芯102。該鐵芯102可由適當的磁性材料形成，例如，紋理矽鋼或非晶態合金。鐵芯102包括第一繞組腿104、第二繞組腿106以及第三繞組腿108。鐵芯102還包括上鐵軛110和下鐵軛112。使用例如合適的粘合劑，第一、第二和第三繞組腿104、106、108中每一個的相對端固定連接至上下鐵軛110、112。
初級繞組10a、10b、10c分別圍繞第一、第二和第三繞組腿104、106、108。次級繞組11a、11b、11c同樣分別圍繞第一、第二和第三繞組腿104、106、108。各個初級繞組10a、10b、10c基本相同。各個次級繞組11a、11b、11c也基本相同。
初級繞組10a、10b、10c可以按照「三角形」結構電氣連接，如在變壓器設計與製造領域的技術人員所公知。次級繞組11a、11b、11c可以按照「三角形」或「Y形」結構電氣連接，這取決於變壓器100的電壓需求。(為了簡明起見，初級繞組10a、10b、10c和次級繞組11a、11b、11c間的電氣連接未在圖1中示出。)當使用變壓器100時，初級繞組10a、10b、10c可電氣連接至三相交流(AC)電源(未示出)。次級繞組11a、11b、11c可電氣連接至負載(也未示出)。當初級繞組10a、10b、10c由負載激勵時，初級繞組10a、10b、10c通過鐵芯102感應耦合到次級繞組11a、11b、11c。更具體地，初級繞組10a、10b、10c上的AC電壓在鐵芯102中建立了交變磁通量。該磁通量在次級繞組11a、11b、11c(和與其相連的負載)上感應出AC電壓。
變壓器100的附加結構元件說明和功能細節對於理解本發明並不是必要的，因此在這裡不提供。此外，提供變壓器100的上述說明僅用於示例目的。該優選方法實際上可在任何類型的變壓器的繞組上執行，包括單相變壓器和具有同心繞組的變壓器。
初級繞組10a包括在第一繞組腿104上連續纏繞的導電體16(參見圖2)。該導電體16可為，例如，矩形、圓形或扁圓形的鋁或銅導線。初級繞組10a還包括表面寬度紙層絕緣。更具體地，該初級繞組10a包括絕緣紙18(參見圖2-4)。絕緣紙18可由例如塗覆有熱固性環氧樹脂菱形圖案的牛皮紙(通常稱為「DPP紙」)形成。
每一絕緣紙18包括原紙18a(參見圖4)。每個絕緣紙18還包括在原紙上澱積的「B」級環氧樹脂粘合劑18b的多個相對較小的菱形區域，或點，如圖4所示。粘合劑18b位於原紙18a的兩面上。還可使用僅在該原紙的一面上澱積有粘和劑的絕緣紙實現該優選方法。此外，還可使用其它類型的絕緣實現該優選方法，例如完全塗覆有熱固性環氧樹脂的牛皮紙。
初級繞組10a包括導電體16的各個線匝的多個重疊層。絕緣紙18的每一層位於各個重疊線匝層之間(參見圖3)。每層中的線匝逐步向前跨過初級繞組10a的寬度。換言之，通過將導電體16跨過第一繞組10a的寬度纏繞為並排的多個線匝，可形成初級繞組10a的每一重疊層。
通過將絕緣紙18中的一個放置在第一繞組腿104的外表面上，使該絕緣紙18覆蓋該外表面的一部分，形成初級繞組10a。
然後將第一層線匝20纏繞在第一繞組腿104上。更具體地，用導電體16纏繞繞組腿104，並位於該絕緣紙18上，直到形成預定數量的相鄰(一個挨著一個)線匝。可手工進行該繞線操作，或使用常規的自動繞線機，例如可從BR Technologies GmbH獲得的AM型3175層繞線機。
以上述方法形成第一層線匝20後形成第二層線匝22。具體地，將另一張絕緣紙18置於第一層線匝20上，使該絕緣紙18的邊緣在第一層線匝20上延伸(參見圖2)。可裁剪該絕緣紙18，使該絕緣紙18的相對端達到如圖2中所示。
接下來按照上述對於第一層線匝20說明的方式，在第一層線匝20纏繞導電體16並覆蓋絕緣紙18，以形成第二層線匝22(參見圖3)。換言之，通過將導電體16纏繞為一系列向後跨過第一層線匝20的相鄰線匝，直到預定的匝數，可形成第二層線匝22。
可重複上述過程，直到在初級繞組10a中形成所需數量的線匝層(為了簡明起見，僅在圖3中示出了三個線匝層)。
應當注意，可使用連續的絕緣材料帶(未示出)代替絕緣紙18。具體地，可在導電體16之前連續纏繞該連續的絕緣材料帶，以提供和絕緣紙18基本相同的絕緣特性。該絕緣帶可圍繞導電體16的特定層，然後使用變壓器設計和製造領域的技術人員公知的常規技術在該層的末端將其剪裁至合適的長度。
此外，可在芯棒上纏繞初級繞組10a，並隨後將其安裝至第一繞組腿104上，代替直接在第一繞組腿104上纏繞初級繞組10a。
然後可以按照上述對於初級繞組10a說明的方法在第一繞組腿104上纏繞次級繞組11a。初級和次級繞組10a、11a中每一層導電體16的線匝數並不相同。初級和次級繞組10a、11a在別的方面基本相同。
初級繞組10b、10c和次級繞組11b、11c可以按照上述方式同時或順序地與初級和次級繞組10a、11a一起纏繞。
在纏繞初級繞組10a、10b、10c和次級繞組11a、11b、11c後，可將上鐵軛100固定至第一、第二和第三繞組腿104、106和108。
接著如下熔化和固化初級繞組10a的絕緣紙18上的粘合劑。初級繞組10a的導電體16的相對端可電氣連接至常規的DC電源120(該DC電源120和和初級繞組10a在圖5中示意性地示出)。該DC電源120應當能夠在初級繞組10a中提供大於初級繞組10a額定電流的DC電流。優選地，該DC電源120電氣連接至可變功率調節器121，以便於控制DC電源120施加到導電體16上的電流。(該可變功率調節器121可以是，也可以不是該DC電源120的一部分。)應當調節可變功率調節器121使一開始流過導電體16的DC電流大於初級繞組10a的額定電流。導電體16對於流過其的電流的電阻導致在其每層內導電體16的溫度升高。這樣，各層導電體16加熱相鄰的各個絕緣紙18(包括粘合劑18b)。
優選地，調節可變功率調節器121，使流過導電體16的DC電流初始約為初級繞組10a額定電流的三倍至五倍。相信有必要使導電體16經歷這樣大小的電流，有助於快速轉換到粘合劑18b開始熔化的溫度範圍(約60℃至約100℃)。
粘合劑18b的所需固化溫度約為130℃±約15℃。應當監控初級繞組10a的溫度，並應當逐步地調節流過初級繞組10a的DC電流，直到初級繞組10a的溫度穩定在所需範圍內。更具體地，應當將流過初級繞組10a的DC電流保持在其初始水平，直到初級繞組10a的溫度約等於目標值130℃。接著降低該DC電流，以約為1℃的增量直到初級繞組10a的溫度穩定在所需的範圍內。
應當注意，粘合劑18b的熔化與固化溫度與應用場合有關，也與供應商有關，並且僅處於示例的目的包括這些參數的具體值。
然後監控初級繞組10a的溫度，並按照需要調節可變功率調節器121，以將初級繞組10a的溫度保持在足夠熔化粘合劑18b的所需範圍內。
初級繞組10a在某給定時刻的溫度(Td)可基於導電體16在該時刻的電阻值Rd估計出來，如下Td(in℃)＝(Rd/Ro)(235+To)-235其中，To與Ro分別為導電體16的初始溫度與電阻值。
通過導電體16上的電壓除以其電流可計算電阻值Rd。(能夠提供所述的電壓和電流測量值的常規電壓計122和常規電流計124在圖5中示意性地示出)。
基於環境溫度，或通過使用諸如RTD的常規測溫裝置獲得的測量值可估計導電體16的初始溫度To。通過導電體16上的初始電壓除以其初始電流可計算該導電體的初始電阻值Ro。
在粘合劑18b熔化後，將初級繞組10a的溫度在約130℃±約15℃的目標範圍內保持預定時間段導致該粘合劑18b固化。(該預定時間段可為，例如二十至九十分鐘，這取決於初級繞組10a的大小。)當到達預定時段的終點時，可中斷流過導電體16的電流，並將該導電體16與DC電源120和可變功率調節器121斷開。
這樣可無需將初級繞組10a置於熱空氣對流加熱爐內即可熔化並固化粘合劑18b。因此，通過使用該優選方法，可消除與將初級繞組10a向或從熱空氣對流加熱爐轉移相關聯的時間。
此外，相信當使用該優選方法代替熱空氣對流加熱爐時，熔化與固化該粘合劑18b所需的周期實際上較低。具體地，使用導電體16作為熱源，相信可更快地加熱初級繞組10a，並且比熱空氣對流加熱爐的方式更加均勻。從而初級繞組10a的溫度可比使用熱空氣對流加熱爐更快地穩定在所需值。因此，使用該優選方法可潛在地實現與製造初級繞組10a相關的周期時間的減少。
另外，使用導電體16作為熱源可實現更均勻的加熱，相信這也可以在絕緣紙18和相鄰的各導電體16間產生更均勻的機械接合。改善的接合對於最裡層的初級繞組10特別重要，使用熱空氣對流加熱爐難於加熱此處的繞組。
此外，相信使用流過導電體16的電流加熱初級繞組10a的所需能量實際上要少於使用熱空氣對流加熱爐加熱初級繞組的所需能量。因此，通過使用該優選方法可潛在地獲得由於使用更少能量帶來的成本節約。
接下來可以按照對於初級繞組10a說明的方法熔化並固化初級繞組10b、10c和次級繞組11a、11b、11c中的粘合劑18b。可替換地，初級繞組10a、10b、10c和次級繞組11a、11b、11c可電氣串聯至DC電源120和可變功率調節器121，並且可基本上同時熔化和固化每個初級繞組10a、10b、10c和次級繞組11a、11b、11c中的粘合劑18b。
需要理解，儘管在前述說明中闡述了本發明的大量特性與優勢，以及本發明結構與功能的細節，但本公開僅是說明性的，可在本發明原理的範圍內進行細節上的改動，特別是在零件的形狀、大小和布局方面。
例如，儘管優選使用直流電加熱初級繞組10a，但也可替換使用交流電。交流電，如果使用的話，應為較低頻率交流電，或應當結合直流電使用，以便於按照上述方法計算導電體16的溫度。
權利要求
1.一種製造變壓器繞組的方法，包括將導電體纏繞為第一重多個線匝；將其上具有粘合劑的電絕緣材料置於該第一重多個線匝之上；在該電絕緣材料上將導電體纏繞為第二重多個線匝；以及通過為導電體加電，使大於該變壓器繞組額定電流的電流流過該導電體，熔化並固化粘合劑。
2.權利要求1所述的方法，還包括提供電源，電氣連接該導電體與該電源，以及使用該電源為該導電體加電。
3.權利要求2所述的方法，其中該電源為直流電源。
4.權利要求2所述的方法，還包括提供可變功率調節器，電氣連接該可變功率調節器與該電源和該導電體，以及使用該電壓調節器調節大於該變壓器繞組額定電流的電流。
5.權利要求1所述的方法，其中，通過為導電體加電，使大於該變壓器繞組額定電流的電流流過該導電體，以熔化並固化該粘合劑，包括通過為該導電體加電使大於該變壓器繞組額定電流的直流電流流過該導電體，熔化並固化該粘合劑。
6.權利要求1所述的方法，其中，通過為導電體加電，使大於該變壓器繞組額定電流的電流流過該導電體，熔化並固化該粘合劑包括為該導電體加電，使大於該變壓器繞組額定電流的電流初始為該變壓器繞組額定電流的約三倍至約五倍。
7.權利要求6所述的方法，還包括從初始值逐步地降低該大於該變壓器繞組額定電流的電流，直到該導電體的溫度穩定在預定範圍之內。
8.權利要求1所述的方法，還包括調節該大於該變壓器繞組額定電流的電流，使得該導電體的溫度保持在預定範圍內。
9.權利要求8所述的方法，其中，調節該大於該變壓器繞組額定電流的電流，使得該導電體的溫度保持在預定範圍內包括調節該大於該變壓器繞組額定電流的電流，使得該導電體的溫度在預定範圍內保持預定時間段。
10.權利要求1所述的方法，通過為導電體加電，使大於該變壓器繞組額定電流的電流流過該導電體，以熔化並固化該粘合劑，包括通過為該導電體加電，使大於該變壓器繞組額定電流的電流流過該導電體來加熱該粘合劑。
11.權利要求2所述的方法，其中，電氣連接導電體與電源，並用該電源為該導電體加電包括將該導電體和第二變壓器繞組的第二導電體電氣連接至該電源，並且使用該電源同時對該導電體和該第二導電體加電。
12.權利要求1所述的方法，還包括提供電壓計和電流計，將該電壓計和電流計電氣連接至該導電體，以及使用該電壓計和電流計測量該導電體上的電壓和該大於該變壓器繞組額定電流的電流。
13.權利要求12所述的方法，還包括基於該導電體在給定時間的電阻值、該導電體的初始電阻值以及該導電體的初始溫度，計算該導電體的溫度。
14.權利要求13所述的方法，還包括基於該導電體在給定時間的電壓和在該給定時刻大於該變壓器繞組額定電流的電流，計算該導電體在給定時間的電阻值。
15.權利要求8所述的方法，其中，該預定範圍為約130℃±約15℃。
16.權利要求9所述的方法，其中，該預定時間段為約20至約90分鐘。
17.權利要求7所述的方法，其中，從初始值逐步地降低該大於該變壓器繞組額定電流的電流，直到該導電體的溫度穩定在預定範圍之內，包括以約為1℃的增量，降低該大於變壓器額定電流的直流電流。
18.權利要求1所述的方法，其中，該電絕緣材料為塗覆有熱固性環氧樹脂菱形圖案的牛皮紙。
19.權利要求1所述的方法，其中，將該導電體纏繞成第一重多個線匝包括圍繞該變壓器鐵芯的繞組腿纏繞該導電體。
20.權利要求1所述的方法，其中，粘合劑為「B」級環氧樹脂粘合劑。
21.一種變壓器繞組的製造方法，該變壓器繞組包括第一和第二層導電體線匝，以及位於第一和第二層線匝間並在其至少一側上具有粘合劑的電絕緣材料，該方法包括將該導電體電氣連接至電源，以及用該電源為該導電體加電，使電流流過該導電體並加熱該導電體，因此導致該粘合劑熔化或/和固化。
22.權利要求21所述的方法，其中，該電源為直流電源。
23.一種用於固化變壓器繞組中絕緣材料上的粘合劑的方法，該方法包括使大於該變壓器繞組額定電流的電流通過過該變壓器繞組，以將該變壓器繞組加熱至適合固化該粘合劑的溫度範圍內，以及調節該大於該變壓器繞組額定電流的電流，以將該變壓器繞組的溫度在適合固化該粘合劑的溫度範圍中保持預定時間段。
24.權利要求23所述的方法，還包括提供電源，將該變壓器繞組電氣連接至該電源，以及使用該電源為該變壓器繞組加電，以使大於該變壓器繞組額定電流的電流通過該變壓器繞組。
25.權利要求24所述的方法，其中，該電源為直流電源。
全文摘要
一種製造變壓器繞組的優選方法，包括將導電體纏繞為第一重多個線匝，將其上具有粘合劑的絕緣材料置於第一重多個線匝上，以及在該電絕緣材料上將該導電體纏繞為第二重多個線匝。該優選方法還包括通過為該導電體加電使大於該變壓器繞組額定電流的電流流過該到導電體，熔化並固化該粘合劑。
文檔編號H01F41/12GK1813321SQ200480018146
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月25日 優先權日2003年6月27日
發明者哈羅德·R·揚格, 埃吉爾·斯特裡肯, 約翰·瓦倫羅德 申請人:Abb技術公開股份有限公司