毕业设计——5KVA单相变压器的设计分析

1、 5KVA单相变压器的设计分析系 部： 精密制造工程系 学生姓名： 王利杰 专业班级： 数控11C1学 号： 111021130 指导教师： 屠春娟、居正龙 2014年4月22日声 明 本人所呈交的 5KVA单相变压器的设计分析 ，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 【摘要】变压器调压装置、电源电压波动、线路电压损失等变化都可造成用户电压不稳定，影响用电设备正常工作，此时需调整输出电压以保证用户电

2、压保持稳定。高压输电可以使电能集中，从而减小电能在传输的时候的损耗，但是高压电对普通家庭用电器以及电路有致命的伤害，所以变压器就应运而生了。单相变压器由于损耗小、容量小、重量轻等优势可以方便的深入负荷中心，而具有极强的适用性。本课题主要以单相变压器为研究对象，首先，介绍了单相变压器的应用和结构；其次，介绍了单相变压器的主要设计思路，包括客户要求、用途分析、材料分析、结构分析；然后，介绍了单相变压器各个参数的计算，包括铁芯、线圈、直流电阻、负载损耗 (115度)、温升及散热能力、阻抗电压等的计算；最后，介绍了单相变压器的机械结构设计过程及装配过程。 【关键词】：变压器；计算；设计；装配；目录引言

3、1一、变压器的介绍2（一）变压器的应用2（二）单相变压器的原理2（三）单相变压器的结构2二、 设计思路4（一）客户要求4（二）用途分析4（三）材料分析4（四）结构分析5三、单相变压器参数的计算7（一）铁芯确定7（二）线圈确定8（三）直流电阻计算9（四）负载损耗计算 (115 度)9（五）温升及散热能力计算10（六）阻抗电压计算11四、机械结构设计过程12（一）线包草图绘制12（二）生成实体13（三）装配13总结15参考文献16谢辞17引言变压器在电路和电器设备中主要用作升降电压、安全隔离、匹配阻抗等。变压器就是利用电磁互感应现象进行变换电压、电流和阻抗的器件。变压器调压装置、电源电压波动、线路

4、电压损失等变化都可造成用户电压不稳定，影响用电设备正常工作，此时需调整输出电压以保证用户电压保持稳定。高压输电可以使电能集中，从而减小电能在传输的时候的损耗，但是高压电对普通家庭用电器以及电路有致命的伤害，所以变压器就应运而生了。单相变压器由于损耗小、容量小、重量轻等优势可以方便的深入负荷中心，而具有极强的适用性。 变压器是变控电源电压的一种电气设备，为适应不同的使用目的和工作条件，变压器可分为很多类型。通常按变压器的不同用途、不同容量、绕组个数、相数、调压方式、冷却介质、冷却方式、铁芯形式等进行分类，用来满足不同行业对变压器的需求。本课题主要以单相变压器为研究对象，首先，介绍了单相变压器的应

5、用和结构；其次，介绍了单相变压器的主要设计思路，包括客户要求、用途分析、材料分析、结构分析；然后，介绍了单相变压器各个参数的计算，包括铁芯、线圈、直流电阻、负载损耗 (115度)、温升及散热能力、阻抗电压等的计算；最后，介绍了单相变压器的机械结构设计过程及装配过程。本课题来源于苏州腾冉电气有限公司的5KVA系列单相变压器。现阶段进行城乡电网改造主要使用节能产品，主要通过节能技术或者是节能产品可以有效地降低供电线损耗以及提升供电的可靠性。本文主要是对单相变压器的结构设计进行阐述。 一、变压器的介绍（一）变压器的应用变压器是变控电源电压的一种电气设备，为了适应不同的使用目的和工作条件，变压器可分为

6、很多种类。一般按照变压器的用途、容量、绕组个数、相数、调压方式、冷却介质、冷却方式、铁芯形式等进行分类，用于满足不同的行业对变压器的不同的需求。 按使用途径分类可分为：电力变压器；电炉变压器；整流变压器；工频试验变压器；矿用变压器；电抗器；调压变压器；互感器；特种变压器。按容量大小分类可分为：中小型变压器：电压在35KV以下，容量在10-6300KVA；大型变压器：电压在63-110KV，容量在6300-63000KVA ；特大型变压器：电压在220KV以上，容量在31500-360000KVA 。按相数分类，可分为：单相变压器和三相变压器。按变压器的冷却介质分类：油浸式变压器；干式变压器；充

7、气式变压器；充胶式变压器和填砂式变压器等。按变压器的冷却方式分类可分为：油浸自冷式变压器；油浸风冷式变压器；油浸强迫油循环风冷却式变压器；油浸强迫油循环水冷却式变压器；干式变压器；本课题所涉及的单相变压器实际应用于农村的照明的用电或者小型动力的用电，其负荷不大，而且负荷波动也不大。（二）单相变压器的原理变压器是根据电磁感应的原理来制成的。在闭合的铁芯柱上面绕有两个绕组，一个原绕组和一个副绕组。当原绕组加上交流电源电压时，原绕组流有交变电流，而建立磁势，在磁势的作用下铁芯中便产生交变主磁通，主磁通在铁芯中同时穿过，一、二次绕组而闭合由于电磁感应作用分别在一、二次绕组产生感应电动势，其基本原理为楞

8、次定律，感应电流产生的磁通，总是阻碍圆磁通的变化，当原磁通增加时感应电流的产生的磁通与原磁通相反, 就是说二次绕组所产生的感应磁通与原绕组所产生的主磁通相反,所以二次绕组就出现了低等级的交变电压，即铁芯是变压器的磁路部分，绕组是变压器的电路部分。图1-1所示为变压器的电气原理图，表示引出导线的连接方式，在本公司A、a表示一个绕组的两根引出线，B、b表示另一个绕组的两根引出线，即此处连接方法应为线包1内线圈和线包2内线圈结尾相连，线包1外线圈和线包2外线圈结尾相连。（三）单相变压器的结构一般变压器主要分为铁芯、线包绕组和夹件三个部分。1、 铁芯铁芯是变压器的磁路部分。铁芯一般是使用矩形硅钢片堆叠

9、而成的。硅钢片可分为两种，一般应用在发电机和变压器对硅钢片的要求是一样的，都是要求铁损低，磁化特性好，叠片系数高等，但变压器一般用有取向硅钢片,发电机用无取向硅钢片。用做变压器的铁芯，一般选用035mm厚的冷轧硅钢片，按所需铁芯的尺寸，将它裁成矩形片，然后交叠成“日”字形或“口”字形。从原理上讲，如果需要减小涡流，则硅钢片厚度越薄，且拼接的片条越狭窄，效果越好。虽然这样可以减小涡流损耗，也可以降低温升，还能节省硅钢片的用量。但是实际上制作硅钢片铁芯时，并仅仅不只是从这一个有利因素出发，因为按照那样制作铁芯，会大大增加工时长，而且还会减小铁芯的有效截面。所以，用硅钢片制作变压器铁芯时，要从具体情

10、况出发，选择最佳尺寸。 图1-1电气原理图图1-2 铁芯堆叠 图1-3 铁芯堆叠如图1-2所示为铁芯堆叠单数层平面图，如图1-3所示的铁芯堆叠为铁芯堆叠的偶数层，每层都是两片一叠。即表明铁芯堆叠的方式为插接，即铁芯本身有足够的拉力拉住铁芯自身，所以可以不再使用拉板将铁芯固定，从而减少不必要的成本。2、 绕组 绕组是变压器的电路部分。线包绕组的话可分为两类，一类是线绕组，另一类是箔绕组。线包绕组是变压器最关键的部分，它的作用是调节出一个被人所需要的电压。一次线圈中通过变化的电流，产生变化的磁场，二次线圈处在变化的磁场中感应产生变化的电流。一次线圈与二次线圈的比值决定了变压器的变比。线圈在整个过程

11、中，起到电能到磁能再到电能的转化作用，同时改变了电压和电流的大小。3、 夹件 夹件主要起的作用是固定铁芯、安装固定。不同的变压器会使用不同的夹件，本课题中使用的是常规的夹件。除了常规的夹件还有许多特殊要求的夹件，如绝缘夹件等。夹件一般都是使用无磁性的材料。2、 设计思路（一）客户要求 客户要求来源于客户所需电路中需要的参数，本课题所涉及客户提供的5Kva单相变压器的一些参数如下：产品类型：单相变压器额定容量：5KVA额定电压：U1：U2 315V：220V额定电流：16A：22.7A绝缘等级：H（180）额定频率：50Hz耐压：2.5KVA/min空载损耗：120w负载损耗：150w（二）用途

12、分析该产品属于变压器。工艺要求主要是对客户提供的长宽高的大小要求、以及安装要求较为严格，主要做用是改变电压，保护用电器和输电电路安全。（三）材料分析1、由于一些夹件是属于折弯板的，所以夹件常见问题就是折弯角度不准确、折弯处圆角太大等，一般而言发现此种问题，就需要把夹件送回供应商那里返工。2、由于绕线时线绕制过松就会引起线包绕组无法装入铁芯上，或者线包绕绕组松垮下来，影响变压器功能。3、一些严酷的环境中所使用的变压器需要进行高温、防水、防震等试验。所以对制造变压器的原材料都有特殊要求，比如需要抗腐蚀、不生锈、耐高温、防水等材料进行制造。在这种情况下就不可以使用普通材料了。4、所用材料（1）铜线：

13、4.5*1.5 mm铜线2.57kg，3.0*1.5mm铜线2.98kg。（2）铁镀锡：上下夹件各两个。（3）狗骨：6*6*150mm直角狗骨8个，6*8*150mm工字型狗骨24个。（4）绝缘纸：0.13*150mmNM绝缘纸0.2kg。（5）紧固件：M6*165mm双头镀锌螺杆4根，M6螺母8个，6t型垫圈8个，M6大平垫8个，M6弹簧垫片8个。（6）硅钢片：材料35JGH250硅钢片，尺寸分别是60*125*0.35mm，230*60*0.35mm共42.8kg。（四）结构分析单相变压器属于电力设备，所以产品在设计时要求对电气性能要求严格。因为变压器是安装在电路中的所以客户会对产品有一些

14、产品尺寸要求以及安装尺寸要求，这类要求也比较高，电气性能要求高。 制造工艺：1、 铁芯的堆叠 在铁芯堆叠的过程中需要注意尺寸公差要求是否满足要求（一般公差要求是在±0.3之间）。2、 线包绕组的绕制 在线包绕组绕制的时候需要注意绕线机的安全使用事项，各个绕组引出线的出线方式以及绝缘处理。3、 初次预装配检验尺寸及电气参数 初次预装配需要注意客户要求的安装尺寸是否满足，如果安装尺寸满足公差，才可以继续进行电气参数的检测。4、 通过检验后，去浸漆烘烤 浸漆的主要目的在于加强线圈在绕制是所使用的绝缘纸的强度，以及防锈处理，需要注意的是在浸漆前需要把客户需要接线的地方使用绝缘树脂覆盖住，这样

15、可以在浸完漆后清除的这些地方的漆比较方便。5、粘贴名牌、标签、安装端子等6、出货前的最终检验7、在本公司装配部分分为两个部分第一部分是在浸漆之前的组装各各已经做好的零件，第二部分是在浸完漆之后的粘贴铭牌标签等小物件。单相变压器的设计思路如表2-1所示。表2-1 单相变压器的设计思路步骤名称效果图1紧固件（六角螺母-弹簧垫片-大平垫-T型绝缘垫圈组合件）2下夹件3上夹件4工字型狗骨5直角狗骨6线包绕组三、单相变压器参数的计算（一）铁芯确定铁芯的计算公式为：S2=K2P2(cm2) ，其中功率的单位为瓦特，面积单位为平方厘米， K 为经验系数。K值取值范围如下：变压器次级计算功率P2 为0VA 到

16、10VA,经验系数K 选1.25 到1.15变压器次级计算功率P2 为10VA 到50VA,经验系数K 选1.15 到1.12变压器次级计算功率P2 为50VA 到500VA,经验系数K 选1.12 到1.10变压器次级计算功率P2 为500VA 以上,经验系数K 选1铁芯截面积与功率的关系式：铁芯截面积=经验系数*（额定功率的平方根）S=1* (5000)0.5 = 70.7 cm2实际片宽选取宽度 60mm，叠厚115mm，如图3-1所示。铁芯面积为 A=6cm*11.5cm*0.97(叠片系数)= 66.93 cm2铁芯尺寸：图3-1铁芯二维图铁芯重量：长：2*60*230*115*7.

17、65/（106）=24.3kg短：2*60*175*115*7.65/（106）=18.5KG铁芯总重：24.3+18.5=42.8KG空载损耗=空载损耗工艺系数×单位损耗×铁芯重量P0=1.3*1.9*42.8=105.7W（二）线圈确定根据饱和磁密点不同，无取相硅钢片磁密一般内取 1.3-1.5 ,有取相可以取1.5-1.7T，这个产品用无取向硅钢片35A250 ,磁密取1.39T。线包二维平面图如图3-2所示。U1=4.44fN1BAU1初级额定电压 (V)f-额定频率 （Hz）N1-初级线圈匝数B选取磁密，单位TA- 铁芯面积 (M2)N1=(4.44*f*B*A)

18、/U1=315/(4.44*50*1.39*66.93*10-4)= 152 匝，每柱76圈U2=4.44fN2BAN2=(4.44*f*B*A)/U1=220/(4.44*50*1.39*66.93*10-4)= 106 匝，每柱53圈线径选取，电密取3.5A/mm2 左右，内线圈取4.5*1.5 铜线。两层（27*2）外线圈取3.0*1.5 铜线，两层（38*2）。主控道：6mm 直角狗骨， 初次级线圈8*6mm 气道1 圈。图 3-2线包二维平面图1、内线圈幅向尺寸计算：a2=（1.5+0.3）*2*1.2(系数)+0.13*4=4.8mm内线圈高度：h2=（4.5+0.3）*（27+1

19、）*1.02=138mm内线圈宽度内径 d2.1=60mm+6*2mm=72mm内线圈长度内径d2.2=115mm+6*2mm=127mm内线圈宽度外径 D2.1= d1.1+2*a2=72mm+2*4.8mm=81.6mm内线圈宽度外径 D2.2= d1.2+2*a2=127mm+2*4.8mm= 136.6mm内线圈平均匝长 L2=d2.1+d2.2+D2.1+D2.2=417.2mm内线圈总长度 L2(TOTAL)=L2*N2/1000=417.2*106/1000=44.2M2、外线圈幅向尺寸计算：a1=（1.5+0.3）*2*1.2(系数)+0.13*4=4.8mm外线圈高度：h1=

20、（3.0+0.3）*（38+1）*1.02= 131mm外线圈宽度内径 d1.1=D2.1+8*2mm=81.6mm +16mm=97.6mm外线圈长度内径d1.2= D2.2+8*2mm=136.6+16mm=152.6mm外线圈宽度外径 D1.1= 97.6+2*a2=92.8mm +2*4.8mm= 102.4mm外线圈长度外径 D1.2= d1.2+a2*2=152.6mm +4.8mm*2= 162.2mm外线圈平均匝长 L1=d1.1+d1.2+D1.1+D1.2=514.8mm外线圈总长度 L1(TOTAL)=L1*N1=514.8*152/1000=78.25M3、计算铜重量：

21、内线圈铜线截面积SCU2=4.5*1.5-0.8594*0.82=6.535mm2外线圈铜线截面积SCU1=3.0*1.5-0.8594*0.82=4.285mm2CU2(内线圈重量)=8.9*L2(TOTAL)*SCU2/1000 =8.9*44.2M*6.535mm2/1000 =2.57kgCU1(外线圈重量)=8.9*L1(TOTAL)*SCU1/1000 =8.9*78.25M*4.285mm2/1000 =2.98kg（三）直流电阻计算=R*S/L（R电阻、S截面积、L长度、电阻率），则有：R=L/S（铜的电阻率=0.0175,20度）内线圈电阻: R2(20度)=0.0175*4

22、4.2/6.535=0.115=115m外线圈电阻: R2(20度)=0.0175*78.25/4.285=0.31957=319.6m注意: 1060 铝的系数是0.028115 度内线圈电阻:R2 115度=(225+115)/(225+20)*115m=164.3 mR1 115度=(225+115)/(225+20)*304m=443.5 m注意: 1060 铝的系数是235（四）负载损耗计算 (115 度) 1、负载损耗分两部分，一部分是铜损,一部分杂散损耗,变压器一般取1.05,电抗器系数取1.32、内线圈铜损PCU2=(I2)2*R2=(22.7*22.7*164.3)/1000

23、=84.6W3、外线圈铜损计算PCU1=(I1)2*R1=(16*16*443.5)/1000=113.54W 4、杂散损耗计算P 杂=（PCU2+PCU1）*0.05=9.9W负载损耗P 负载=84.6+113.54+9.9=208.04W (115度)空载损耗P0=105.7W总损耗 P 总=208.04W+105.7W=313.7W5、 变压器效率=（容量-总损耗）/容量*100% =（5000-313.74）/5000*100% =93.73%（五）温升及散热能力计算1、内线圈内散热面积计算SecSn=2*(d2.1+d2.2)*h2*10-6=2*(72+127)*138*10-6=

24、0.055m2 2、内线圈外散热面积计算 SecSw=2*(D2.1+D2.2)*h2*10-6=2*(81.6+136.6)*138*10-6=0.0602m23、内表面散热系数计算 SecSan=0.56*(6)1.6/h2)0.25=0.56*0.59=0.335内线圈气道高度h2-线圈高度4、外线圈内散热面积计算PriSn=2*(d1.1+d1.2)*h1*10-6 =2*(99.6+152.6)*131*10-6 =0.06608m25、外线圈外散热面积计算PriSw=2*(D1.1+D1.2)*h1*10-6 =2*(102.4+162.2)*131*10-6 =0.06932m2

25、6、外线圈内表面散热系数计算PriSan=0.56*(8)1.6/h2)0.25 =0.56*0.59 =0.387、内线圈总散热能力计算Ssec =(secSn*secSan+secSw*PiSan)+0.9X*2 =0.055*0.335+0.0602*0.38+0.9*X*2 =0.0826x- 如果内线圈有气道,系数按照上述公式计算出气道散热数值.8、内线圈温升计算T2=(PCU2+0.05*PCU2)/Ssec)0.8)*(0.28) =74.5K9、外线圈总散热能力计算SPri=(PriSn*PriSan+PriSw)+0.9X2 =0.06608*0.38+0.06932+0.9

26、X*2 =0.188910、 外线圈温升：T2=(PCU1+0.05*PCU1)/Spri)0.8)*(0.32) =(113.54*1.05/0.1889)0.8*0.32=55.6K（六）阻抗电压计算线圈示意图如图3-3所示，其中，r(内线圈半径)=(d2.1+d2.2)/31.415=6.35cma2(内线圈厚度) =0.48cma1（外线圈幅度）=0.48cma12(内外线圈距离)=0.8cmr2(内线圈平均半径)=r+a2/2=6.59cmr12= r+a2+a12/2=6.35+0.48+0.4=7.23cmr1(外线圈平均半径)= r+a2+a12+a1/2=6.35+0.48+

27、0.8+0.24=7.87cm入=a1+a2+a12=0.48+0.48+0.8=1.76mmH(电抗高度)=(h1+h2)/2=13.4.5mm(络氏系数 )=1-入/(3.141*H)=0.9587图3-3线圈示意图 =(a1*r1)/3+a12*r12+(a2*r2)/3=8.24UK-阻抗电压Ur-电感分量Ux电阻分量Ur= P 负载/(1000*P)=199.7/(1000*5)*100%=4.3%Ux=(49.6*f*N2*I2*)/(H*e*108)=0.44%UK=4.32%f-频率N2-次级圈数I2-次级额定电流H-电抗高度e-匝电压（315V/76）=4.145V额定电压

28、U1，U2，SN（KVA），U1是一次额定电压，U2是二次额定电压（线电压），SN（KVA）是容量。额定电流 I1N一次/I2N 二次的额定电流。SN=U1NI1N=U2NI2N四、机械结构设计过程在UG三维建模中主要设计的部分有铁芯、线包、夹件等。在这里主要以线包建模为例，介绍其设计过程。（一）线包草图绘制草图尺寸均根据单相变压器参数的计算中内线圈幅向尺寸计算结果及外线圈幅向尺寸计算结果，得出草图的基本尺寸。绘制草图时，先建立XY草图平面，然后新建草图，进入草图平面绘制，绘制方法为画一个72*127mm的矩形，然后倒4个圆角为R6的圆角，然后偏置曲线多次。绘制的线包草图如图4-1所示。图4-

29、1 草图 图4-2内线圈拉伸图4-3外线圈拉伸 图4-4绝缘纸拉伸（二）生成实体 根据图4-1草图进行拉伸，操作步骤为，先选择拉伸，再选择需要拉伸曲线，在选择拉伸方式为对称，输入拉伸高度为总高除以2。拉伸的高度尺寸根据单相变压器参数的计算中内线圈幅向尺寸计算结果及外线圈幅向尺寸计算结果。如图4-2所示为内线圈拉伸，图4-3为外线圈拉伸，图4-4为绝缘纸拉伸。（三）装配单相变压器主要由铁芯、线包、夹件、紧固件、狗骨等构成。此处装配是将设计好的三维模型零件组装起来。通过组装零件约束来实现原本三维零件模型的组装。图4-5 装配效果图装配方案：1、 添加组件铁芯*1（堆叠好的模型）选择绝对原点约束。2、 添加组件直角狗骨*8 选择接触对齐和对中2对2。3、 添加组件线包*2 选择接触对齐。4、 添加组件工字型狗骨*24 选择接触对