科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业,工业生产过程控制系统,高性能、智能化仪器仪表,先进制造技术,新型机械,电力系统信息化与自动化技术

需求背景

本公司承接叠铁芯变压器、立体卷铁芯变压器两类订单的研制。立体卷铁芯变压器相较传统的叠铁芯变压器，具有节能、节材、环保、可靠性高和生产效高等诸多优点，深受市场青睐。截至2023年3月底，节能立体卷铁芯变压器已销售18000余台，销售收入超过6亿元。

为满足市场需求，扩大产能，拟在现有的四种型号“立体卷铁芯变压器”（即***系列50型、100型、200型、400型）取得专业检测报告和国家二级能效认证基础上，进一步开展创新设计与研制，以满足客户需求。

需解决的主要技术难题

(一)高能效立体卷铁芯电力变压器创新设计与研制技术痛点。

（1）磁路分析及减少变压器铁芯损耗的措施。

铁芯为变压器的骨架和导磁回路，其性能直接关系互变压器的损耗大小。高能效的立体卷铁芯变压器需要降低其损耗，需要采用优化的材料和结构，减少损耗，提高能量转换效率。材料的单位损耗，与铁芯的纵剪开料、铁芯卷绕、线圈绕阻绕制、退火工艺等均有直接关联。

（2）绕阻的基本参数选取及绕阻尺寸确定。

绕阻匝数取决于卷铁芯变压器的变比及铁芯芯柱截面的大小。关联技术参数包括每匝电势e、铁芯磁通密度B、铁芯有效截面积A；绕阻采用的导线长度、重量、绕阻直流电阻及电阻损耗等；绕阻尺寸主要包括绕阻内径、外径、辐向尺寸及绕阻的高度等。

（3）研制过程中短路阻抗计算与综合考虑。

短路阻抗是卷铁芯电力变压器设计和研制的一个十分重要的参数。其大小涉及到变压器的成本、效率、电压变化率、机械强度、短路电流大小等。短路阻抗小时，变压器的损耗降低，效率提高，电压波动率减小；短路阻抗大时，短路电流会降低，变压器短路时的机械耐受强度会增加。因此短路阻抗的选取，需要综合考虑。

（4）绝缘配合、耐压分析与电气强度试验。

电力变压器在运行中要采用避雷器保护，因此必须考虑研制的卷铁芯电力变压器的绝缘强度与避雷器之间建立合理的这里的绝缘配合关系，确保变压器在运行中能耐受大气过电压、内部过电压及长期工频电压的冲击。而变压器绝缘水平的提高就必须采取相应措施，大大提高变压器的制造成本。因此，在进行高能效立体卷铁芯电力变压器创新设计与研制过程中耐压分析与电气强度试验是必不可少的环节。而耐压分析与电气强度试验也是本公司开展高能效立体卷铁芯电力变压器创新设计与研制的技术难点与痛点。

（5）散热形式与局部过热产生的原因分析。

立体卷铁芯变压器需要在紧凑的空间内实现高能效运行。因此，需解决良好的密封设计和高效的散热问题，以确保变压器内部气体的稳定性和热量的及时散发。

(二)高能效立体卷铁芯电力变压器创新设计与研制价值意义。

（1）节能减排。高能效意味着在转换电能过程中能够最大程度地减少能源损耗。通过采用高能效的立体卷铁芯变压器，可以降低能源消耗，减少电网输电损耗，节约资源。这对于节能减排、降低碳排放和环境保护具有重要意义。

（2）经济效益。高能效的立体卷铁芯变压器使得能源利用更加高效，可以降低企业和用户的能源开支。随着能源价格的不断上涨，采用高能效的变压器可以显著降低能源成本，提高能源利用效率，对企业和个人经济都具有显著的好处。

（3）提高设备性能。高能效的立体卷铁芯变压器在能源转换过程中少损耗能量，能够提供更稳定和可靠的电力供应。这对于电子设备的正常运行和性能发挥具有重要影响。通过提供稳定的电能传输，高能效变压器可以降低电压波动，减少设备的故障率，提高设备的使用寿命和可靠性。

（4）适应现代电子设备需求。随着电子设备的不断发展和进步，对于变压器的尺寸、功率密度和效率要求越来越高。高能效的立体卷铁芯变压器能够满足现代电子设备对于高功率密度、小尺寸和高效能的需求，为电子设备提供更加高效的电力转换和供应能力。

期望实现的主要技术目标

主要目标：

（1）高效能

立体卷铁芯变压器应具备高效能的特点，能够有效地转换电能并减少能源损耗。产品目标是提高变压器的效率，减少能源浪费，提高能源利用率。

（2）小型化

随着科技的进步和电子设备的迅速发展，对于变压器的尺寸要求越来越小。产品目标是设计出尺寸更小、重量更轻的立体卷铁芯变压器，以适应现代电子设备的需求。

（3）高功率密度

立体卷铁芯变压器的功率密度是指单位体积或单位重量内所能传输的功率大小。产品目标可以是提高变压器的功率密度，实现更高的功率传输能力，在保持小型化的同时提供更高的功率输出。

（4）低噪音

传统的变压器在运行过程中会产生噪音，影响使用环境和用户体验。产品目标可以是降低噪音水平，提供更安静的工作环境。

（5）高可靠性

立体卷铁芯变压器应具备高可靠性，能够在长时间运行和负载变化的情况下保持稳定性能。产品目标可以是提高变压器的抗干扰能力、降低故障率，以提高产品的可靠性和使用寿命。

(四)高能效立体卷铁芯电力变压器创新设计与研制主要技术参数。

（1）磁路优化。立体卷铁芯层间没有接缝，磁路各处分布均匀，没有明显的高阻区，没有接缝处磁通密度的畸变现象；磁通方向与硅钢片晶体取向完全一致；三相磁路长度完全相等，三相磁路长度之和最短；三相磁路完全对称，三相空载电流完全平衡。

（2）节能降耗

铁损工艺系数从***之间下降到***左右，仅此一项可使铁芯损耗降低10-20%；由于特殊的三维立体结构，使铁芯的铁轭部分用材量比传统叠片铁芯减少25%，且减少的角重量占铁芯总重约6%；对硅钢片的剪切处理会使其导磁性能恶化，三维立体卷铁芯经高温（800℃）真空充氮退火处理，不仅消除了铁芯的机械应力，而且细化了硅钢片的磁畴，提高了硅钢片二次再结晶能力，使硅钢片的性能大大优于其出厂时的性能；空载损耗较国标降低25-35%，空载电流最高可降低92%。

（3）噪音低

由于立体卷铁芯是将硅钢片条料在专用的铁芯卷绕机上不间断、紧密连续卷制而成，没有接缝，不会产生叠铁芯变压器因磁路不连续而发出的噪音。同时，三相磁路磁通完全对称，工作磁通密度设计合理，因而产品噪音大大降低。立体卷铁芯变压器声级测定为47dB，比国标规定的66dB降低。

（4）过载能力强

空载损耗、空载电流都非常小，产品本身发热量就很低；三相线圈呈“品”字形排布，在线圈间形成一条上下贯通的中心天然气道——“抽风烟筒”，上下铁轭温差30-40℃，产生强烈的空气对流，冷空气从下面往中心通道补充，热量从上铁轭内斜面辐射出去，自然循环中迅速带走变压器产生的热量

（5）结构紧凑

立体铁芯使产品结构紧凑、布局合理，器身平面占用面积比传统产品减少10-15%，器身高度降低10-20%，若安装在箱式变电站中可缩小箱变体积近1/4。6、同类产品比较，椭圆截面叠铁芯变压器的关键部件是椭圆截面叠铁芯。出于工艺和结构的考虑，通常铁芯截面，中间部位呈矩形，两侧分别由一个半圆组成，中心距M0的大小由最大片宽、绕组弧向尺寸、套装间隙及绝缘距离等因素决定，铁芯角由片宽、截面形状及大小决定。通过改变椭圆截面铁芯片宽、叠厚和截面形状，可以降低中心距和角重，进而减轻铁芯质量，降低变压器的空载损耗损耗相当的情况下，立体卷铁芯变压器比椭圆截面叠铁芯变压器主要材料成本低，生产工艺更先进，能效更高，更节能。

产能，拟在现有的四种型号“立体卷铁芯变压器”（即***系列50型、100型、200型、400型）取得专业检测报告和国家二级能效认证基础上，进一步开展创新设计与研制，以满足客户需求。

需求解析

解析单位：“科创中国”华中科技大学智能制造专业科技服务团（华中科技大学） 解析时间：2023-08-24

王正伦

华中科技大学科协

主任

综合评价

该技术需求背景介绍和需要解决的主要技术难题分析基本合理，研发内容和期望实现的技术目标明确，通过专家联合研发基本可以实现。

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