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摘 要
利用立体卷铁心变压器的结构特点，分析其节材节能。通过在一定的条件下的对比计算，得出立体卷铁心硅钢片用量比叠片铁心下降约23%，铁心质量的下降使得变压器空载损耗下降l8%～28%。利用其空载损耗低的优势，在设计产品最优方案时，立体卷铁心变压器的成本将会大幅度下降。立体卷铁心变压器是一种节材节能效果非常突出的环保产品，尤其适合高标准、低损耗的领域。
关键词
立体卷铁心变压器；叠片铁心变压器；空载损耗；节能
立体卷铁心变压器因其三相对称的结构优势，具有三相磁路对称、励磁电流小、空载损耗低、谐波小、噪声低等特点。该类变压器在许多要求高性能、低损耗的市场领域广泛运用，取得了很好的经济效益。
如图1所示，立体卷铁心在空间结构上完全对称，比三相三柱叠片铁心（以下简称叠片铁心）更容易保证各项电磁参数引。这种铁心具有节材节能的突出优势，将立体卷铁心运用在损耗标准高的S13系列变压器中时，其优势更为明显。本文通过对立体卷铁心与叠片铁心进行对比分析，从理论上计算m立体卷铁心的节材量，并以实例验证分析结果的正确性。
1 立体卷铁必变压器节材节能理论分析
1.1
接近零废料
立体卷铁心是由若干根梯形料带依次连续卷绕而成，不同尺寸的梯形料带由专用折线开料机进行套裁加工得到，材料利用率可接近100%。
叠片铁心的上、下铁轭及心柱在生产过程中会冲掉三角形的废料，据测算这一部分废料约占叠片铁心总质量的5%。
1.2
立体卷铁心与叠片铁心质量对比
在铁心直径D、心柱截面积S、窗高Hw、中心距L。相同的情况下，立体卷铁心与叠片铁心质量的差异等于其铁轭质量的差异，见表1
由表1可知，两种铁心的心柱质量相等(m0)，铁心质量差Δm=m1- m2。下面具体分析m1和m2的计算，图2为立体卷铁心与叠片铁心尺寸图。
由表2可知，立体卷铁心比叠片铁心质量平均下降18%。综合考虑叠片铁心废料浪费5%，可得立体卷铁心比叠片铁心平均节约用料23%。
1.3
铁心填充系数
立体卷铁心横截面是接近圆形的准多边形(如图4(a)所示），其填充系数为0．95 --0. 96；叠片铁心横截面是阶梯型(如图4(b)所示），其填充系数为0．89～0．925。立体卷铁心心柱截面积圆内的空间填充系数比叠片铁心高4%～6%，有效面积S相同时，立体卷铁心心柱的直径比叠片铁心心柱的直径小2%～3%，可以使线圈导线长度减少2%～3%，既可节约铜材等原材料，又可降低负载损耗。
1.4
自然降耗
在单位损耗一定的情况下，铁心的空载损耗与铁心质量、工艺系数成正比。假定两种铁心的单位损耗为Pt1，铁轭的单位损耗为Pt2。叠片铁心的空载损耗为P0a=K0Pt1M，立体卷铁心空载损耗为P0b=K0(Pt1 m0， Pt2 m1)。其中K0为工艺系数，叠片铁心的工艺系数取1. 15～1.3，立体卷铁心因其采用退火工艺，工艺系数较小，一般取1.05～1.1[5]。利用表2的计算结果，立体卷铁心的质量比叠片铁心约下降18%。由以上关系，再结合实例计算可知，立体卷铁心的空载损耗可降低18%～28%。
1.5
从损耗上进一步节材
在相同损耗标准要求下，利用立体卷铁心空载损耗低的特点，通过提高磁通密度，增大空载损耗，使其和叠片铁心空载损耗相近，这样会进一步降低立体卷铁心的质量，并同时降低铜材的用量。
2 综合降低成本实例计算
在S13系列变压器的设计中，因空载损耗要求低，设计铁心时必须降低磁通密度，通常取1.4T，采用95硅钢片，才可能满足损耗标准要求，这样必然导致叠片铁心的质量增加，成本增加。而立体卷铁心的空载损耗可降低18% N28%，可遁过调整铜、铁用量比例和提高磁通密度的方法来利用其空载损耗优势，从而实现降低铜、铁用量的目的。实际上，在空载损耗要求越严格的情况下，13立体卷铁心变压器的优势越大。
实际计算100 kVA、40() kVA变压器的成本，结果见表3。经对比可知，立体卷铁心的铜用量下降约24%，铁用量下降约26%，最终总成本下降约25%。
3 结论
本文首先从结构上分析了立体卷铁心的节材量，通过节材使铁心自然降低损耗，再充分利用其空载损耗低、填充率高的优点，综合降低铜、铁用量，到达最优设计方案。通过本文分析可以得出以下结论：
a)在相同参数条件F，立体卷铁心比叠片铁心平均节材23%，空载损耗下降18%～28%。
b)立体卷铁心横截面是接近圆形的准多边形，其填充系数比叠片铁心高4%～6%。
c)综合利用S13立体卷铁心变压器空载损耗低、填充率高的优点，其铜材用量可比S13叠片铁心变压器下降24%以上，铁心用量可下降26%以上，最终总成本可下降约25%。
由以上分析可知，立体卷铁心变压器是一种节材节能效果非常突出的环保产品，尤其适用于高标准、低损耗的领域。
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