1引言 二十世纪八十年代R型单相变压器在日本试制成功，获得专利，并投入批量生产。九十年代，R型变压器进入中国。与传统的变压器相比，R型变压器具有如下的显著特点： a、R型变压器的截面为圆形，中间连续不切断，磁通密度分布均匀，漏磁 场较传统的矩形截面要小得多。与EI型变压器相比，R型变压器的漏磁束只有它的10％。 b、R型铁心系由一根由窄到宽，又由宽到窄的线性硅钢带卷绕而成，中间无断面，没有气隙，其有效磁导率高，铁心的激磁电流小，损耗低，温升也低。 c、R型变压器结构紧凑，重量轻，体积小，而且呈扁薄形。与EI型相比，体积小30％，重量轻40％，厚度薄40％。 d、R型变压器的铁心的加工过程为开料一卷绕一焊接一整形一退火一脱心一焊接一浸渍，不需要紧固件。只要线圈骨架和底座固牢，就不会产生如E型和C型铁心那样因磁路不连贯而发出噪音，实际使用几乎无噪音。 e、R型变压器由于它的独特设计，将初级与次级的骨架分开，绝缘性能优良，由阻燃材料制成的互相分离的骨架可以满足任何国家的安全标准。又由于R型铁心基本不受装配工艺的影响，其大批量生产中产品的一致性好。 由于R型变压器具有上述一系列诱人的优点， 目前已在办公设备、监控设备、高档音响设备、卫星接收和视频技术设备、移动电子设备、数控机床以及医疗仪器等广泛应用。随着R型变压器应用范围的迅速扩展，一个新的课题被提出来，即R型变压器的应用范围能否从单相扩展到三相？本公司通过几年来积累的单相R型铁心的设计和制造经验，终于开发出了三相R型铁心，并生产出了三相R型变压器。三相R型变压器不仅具有单相R型变压器的上述各项优点，能应用于各种小型电子设备中，而且可以将应用范围扩展到电力变压器。 2三相R型铁心的开料原理及其数学模型 2.1开料原理 R型铁心系由一根由窄到宽，又由宽到窄的线性硅钢带卷绕而成，其截面为圆形，最理想截面的开料形式如图1所示，但这样开料，实际材料利用率太低。 材料利用率=πr2÷(2r×2r)=3.14159÷4=78.5％ 因此，为提高材料利用率，我公司实际开料时，是两根料套裁。其基本开料的近似图形如图2所示：用两把刀将阴影部分分别切割掉，这样，所切出来的每个近似的半圆卷绕出来就是一个单相的R型铁心。肯定有人会问：这样一个一边为圆弧，一边为直线的近似半圆，如何能绕出来圆形截面的铁心?可以有如下两方面的解释： a、实际开料时的每个铁心的硅钢带长度很长，沿长度方向的宽度变化率很小。实际的圆弧边也近似为直线。 b、铁心卷绕时，铁心卷绕机的自动对中机构会使铁心的卷绕中心与材料的宽度中心始终保持一致。 材料利用率=πr2÷(2r×l.732r)=3.14159÷3.464=90.7％ 实际开料的原理图如图3所示，该机用两把刀分别切两条曲线，刀座的进给由A，B滚珠丝杠控制。丝杠A控制刀座的轴向位移，丝杠B控制刀座的角度位移。控制切削刀的角度位移是为了保证刀具永远与切削点相切，这样，不仅能提高刀具的使用寿命，而且还能够大大降低所切硅钢带的毛刺。滚珠丝杠A，B分别由计算机控制的各个步进电机拖动。 实际开出来的三相R型铁心的模拟曲线展开图如图4和图5所示。对图4来说，从A—B或从C—B都可以绕出三相R型铁心的前半段；对图5来说，从A—B或从C—B绕三相R型铁心的前半段，而从B—C绕三相R型铁心的后半段。具体如何绕制，将在后面三相R型铁心的绕制一段详述。 2.2三相R型铁心的数学模型 卷绕成型的R型单相和三相铁心如图6和图9所示。R型铁心的卷绕过程，是开好的曲线硅钢带由卷心带着旋转而成型的，因此铁心的卷绕过程可以近似等效为正圆在旋转。 计算参数定义： 铁心内圈长度：N 平均磁路长：E 任意位置的硅钢带长：L 任意位置的硅钢带卷绕叠厚：H 任意位置的硅钢带材料宽度：X 则对三相R型铁心的前半段来说： N=2×(b+c-4r)+2πr E=2×(b+c-4r)+π(a+2r) 对三相R型铁心的后半段来说： N′=2×(2a+2b+c-4r)+2πr E′=2×(2a+2b+c-4r)+2π(a+r) 假定绕制单个R型铁心的曲料展开图被分成360等份，且硅钢带的厚度为1。则有： F=(E×a÷360)×(360-k) 由图8可以推出： H′={(-N÷π)+sqr[(N÷π)^2-4×F÷π]}÷2 H=h+H′=(d-a)÷2+{(-N÷π)+sqr[(N÷π)^2-4×F÷π)}÷2 由(图7)可以推出： X=2×sqr[H×(d-H] 由上面的公式编成相应的计算机程序，由计算机通过步进电机来控制切削滚刀的进给，从而开出相应曲线的曲料。 3三相R型铁心的绕制 三相R型铁心的绕制是将开好曲线的硅钢带，用特制的卷心在专用卷绕机上绕出来的。如图4和图5即为开好的三相R型铁心前半段和后半段的模拟曲线仿真图。绕制成三相R型铁心的两种方式如图10和图11所示，图中的①即由图4曲线的A-B，C-B或图5曲线的A-B绕出来的；图中的②即由图五曲线的B-C绕出来的。 三相R型铁心的绕制所要解决的两个基本问题是： a、为保证铁心截面为圆形，所开曲料的中心如何与卷绕机的卷绕中心始终保持一致。 b、将图10和图11中的②叠加绕到①上时，为消除铁心截面中的缝隙，如何将其三相夹紧，并保证卷绕中心不偏心。 通过摸索和实践，设计出如图12和图13的两套机构，成功地解决了以上两个难题。 (图11)即为卷绕机的自动对中机构，它通过弹簧②推动两边对称的杠杆机构⑧向内压紧，杠杆机构⑧上的两个滚子①向内压紧硅钢带，使铁心卷绕时，硅钢带的宽度中心始终与铁心的卷绕中心保持在一条直线上，从而所卷出来的铁心截面近似为圆形。 图13为设计的卷绕三相R型铁心的工装。④为铁心卷心的定位销，它们连接在滑块⑤上，滑块⑤通过丝杠⑧的旋转而将三相铁心的两个卷心向内夹紧，从而使三相R型铁心的②和①部分能紧密结合；同时，通过调整滑块⑤的位置，可以保证铁心的旋转中心与设备主轴的旋转中心一致。 4三相R型铁心的整形和热处理 由于三相R型铁心的分条和卷绕是通过剪切和压力加工进行的，不可避免地要对硅钢带产生塑性变形和应力，导致组织变化和晶格的畸变，使硅钢带已形成的择优取向结构破坏，损害电磁性能。热处理的目的是消除应力，使硅钢带剪口塑变部位“再结晶”，并最大限度地恢复择优取向结构和电磁性能。常用的工艺有真空退火和保护气氛退火。 由于三相R型铁心不是由一条整料绕出来的，而是由三条或者两条料绕出来的。因此无论在铁心卷绕时如何调整，三相R型铁心卷绕后的变形情况比单相R型铁心要大。所以三相R型铁心的热处理前的整形很重要。(图14)为R型三相铁心整形的工装简图，该工装对R型三相铁心的四个方向都进行了夹紧，从而保证了R型三相铁心经热处理后的外形趋于理想状态。 由于我公司使用的硅钢带为日本新日铁制铁株式会社的取向性硅钢带，其热处理温度为800℃±20℃。因此，经过实验摸索，R型三相铁心的热处理温度曲线如图15所示。我们采用的是保护气氛退火，在整个热处理过程中，退火坩锅内通入5升/分钟的氮气。当退火炉温度升至800℃时，保温三个小时；保温结束，当温度降到600℃时，将坩锅吊出退火炉自然冷却；自然冷却至350℃，关掉氮气，将铁心吊出坩锅，冷却至常温脱心。 5三相R型铁心的检测 三相R型铁心经脱心和内圈焊接后，就进入检测过程，铁心检测分两个步骤： a、外观检测 外观检测主要检测三相R型铁心的外形尺寸是否符合设计要求，铁心退火后的颜色是否美观等。 b、性能检测 性能检测主要检测三相R型铁心的损耗，以将其分成优质品，合格品和等外品。测量电路如图16所示；W1，W2，W3为三个功率表；V为电压表，通过倒相开关，分别监测三相电压；A为电流表，以检测三相空载电流。为了保证铁心中的磁通与变压器额定使用条件相同，所施加的测试电压与变压器设计计算时相同，按下面公式计算： V=4.44×f×B×S×N 式中：F-频率，B-硅钢带磁感应强度 S-铁心柱截面积，N-测试线圈匝数 6结论 通过以上的设计、开发和制造过程，再加以设备的改造，本公司已成功地开发并生产出了从5VA到15KVA的三相系列化R型铁心，而且正在着手三相电力变压器R型结构铁心的开发和制造。目前，本公司利用自己开发的小功率三相系列化R型铁心制作的三相R型变压器，己成功地形成了几个较大的稳定客户。