协普®大型电力变压器绕线机的优化设计

    在制造电力变压器的时候，绕制变压器线圈是一个超重要的步骤，你想想，变压器线圈绕得更牢靠、整齐一点，变压器的强度和防护短路能力都能大大提高。但现在的变压器绕线机大多都得靠人工来对线圈进行额外整理，整个设备自动化程度低，生产效率也不高，所以，研发一台优秀的大型变压器绕线机对我们公司来说是至关重要的事情。

                          

   我们对变压器绕线机的主轴技术、压紧力与绕组质量之间的关系以及压紧力的控制等关键技术进行了深入研究。根据变压器绕制原理和工艺流程，我们提出了一整套大型变压器绕线机的整体设计方案，包括机械结构和电气控制。从机械上来说，我们简化了传统变压器绕线机的复杂结构。而在电气控制方面，我们确保电机启停时的稳定性，保证绕组线圈在绕制过程中的松紧度均匀。对于变压器绕线机的核心部件——主轴系统和压紧装置，我们进行了类型和参数的计算和选择。通过压紧装置，我们能够在变压器绕组线圈绕制的过程中提供实时的轴向和辐向压紧力，这对于提高绕组的紧密度非常有效。

    我们还利用了有限元对绕线机的辐向压紧装置进行了静力学分析，并根据分析结果进行了结构优化。我们发现，随着绕组层数和匝数的增加，所需的轴向和辐向压紧力也会相应变化。通过分析实验数据，我们发现在绕制质量要求范围内，绕制压紧力有一个最大值和一个最小值，而将绕制压紧力与层数及匝数近似成正比关系是最合理的选择。

     我们公司开发的大型变压器绕线机已经初步调试完毕并投入市场。经过测试，这台变压器绕线机各项性能参数都符合设计要求，运行稳定高效。它能绕制出紧密规整的变压器绕组线圈，而且得到了市场的充分肯定。

    电力变压器作为电网设备，通过变压器绕组线圈间的电磁感应进行电压的转换。随着市场的不断发展，对变压器的制造水平提出了更高的要求，市场需要更节能、高效的变压器。因此，变压器制造工艺的优化显得尤为关键质量和性能都取决于工艺设备。变压器绕线机的技术水平直接反映了变压器的制造水平。因此，加快变压器绕线机的开发是提高变压器性能的重要保障。

                            

   变压器绕组线圈是变压器的核心组成部分，构成了变压器的电磁感应部分。它一般包括高压绕组和低压绕组，分别接到高压电网和低压电网。大型电力变压器的绕组通常采用同心缠绕的方式，就是将高、低压变压器绕组线圈同心地套在铁芯柱上。变压器绕组的制造是变压器的核心工序，它的质量对变压器的性能起着至关重要的作用，影响着变压器的外观尺寸、重量、机械性能、绝缘和耐热性等重要指标。

    从前，变压器绕线线圈生产全靠人工，工人们要按照工艺要求手工绕制绝缘导线到绕线模架上。匝数计算也都得靠人工，这种老式方法效率低下，而且由于工人技术不够过硬，绕线线圈质量较差，匝数可能会算错或漏计，最终导致成品绕线线圈性能无法得到保证。后来出现了半自动变压器绕线机，它由电动机带动主轴旋转来绕制变压器绕线线圈，虽然提高了生产效率，但排线工作仍得靠人工，只适用于平绕式变压器绕组线圈的绕制，而且缠头缠尾、焊接等操作仍须手工完成，所以产品质量不够稳定。

   后来，随着 TTL 逻辑门电路的出现，70 年代中期，随着 CMOS 技术的发展，各类设备程序控制大量应用了数字集成电路，西方国家和日本等工业强国相继出现了数控绕线机制造产业。这些数控变压器绕线机代表了绕线机制造技术的先进水平，尤其是日本、意大利、美国和德国等国家生产的绕线设备更是技术领先。

   现在变压器绕线机作为变压器核心零件生产设备，市场需求非常大，国内外的变压器制造企业都很重视变压器绕线机先进技术的开发和应用。国内变压器绕线机生产企业规模较小，技术储备不足，研发经费有限，所以与国外先进产品相比仍存在很大差距，市场占有率较低，无力与国外竞争。解决变压器绕线机关键技术问题是提高国产绕线设备质量、增强市场竞争力的关键。为了满足变压器生产厂家对高品质、低价格绕线装备特别是大型变压器绕线机的需求，在借鉴国外先进经验基础上，结合国内研究成果，研发大型变压器绕线机具有重要意义和实用价值。

    国外变压器绕线机的研究起步较早，有着丰富的技术积累，绕线机制的研究和变压器绕线机的设计已经非常成熟。日本、意大利、美国和德国等国家的绕线设备尤为先进，它们自动化程度高，性能优良，备受用户青睐。美国的变压器绕线机及配套设备人机交互平台完善，机型美观，程序控制便捷，设备灵活，适用于绕制形状复杂、高精度的变压器绕线线圈。这些国家都有自己的核心技术，但是作为技术机密受到保护，这些关键技术主要包括主轴技术、高精密排线技术、张力控制技术等方面。

    我国对绕线设备的研究起步较晚，80 年代初开始引进国外的数控变压器绕线机，90 年代逐渐进入快速发展阶段。近年来，国内变压器绕线机行业通过自主研发和引进吸收国外先进技术，已经形成了一定的生产能力。但多数厂商规模较小，生产的产品难以进入高端市场。国产变压器绕线机与国外先进产品相比在控制技术、更新速度和新工艺应用等方面存在明显差距，导致在竞争中处于不利地位，无法抵挡进口产品的涌入。因此，国内业界在实际生产经验基础上从几个关键技术点提出了更完善的变压器绕线机设计方案。

                        

    一是主轴技术，主轴技术涉及主轴箱、驱动部分和传动部分等方面。主轴作为核心部件，用来传递动力和执行动作，而主轴箱则负责支撑主轴高速旋转，必须满足结构简单、工作可靠、维护方便、成本低等要求。变压器绕线机中的主轴系统与通用机床有所不同。变压器绕线机在绕线过程中，主轴需要频繁启停，如果主轴系统启停不稳定，会使绕组线圈张力不均衡，产生松紧不均的变压器绕组线圈，直接影响变压器的性能指标。

    二是辐压紧装置，变压器绕组线圈的外观尺寸对变压器性能有很大影响。如果绕组线圈轴向尺寸超标，会减弱变压器承受短路机械力的能力，降低抗短路能力；而绕组线圈幅向尺寸超标，会导致变压器阻抗参数偏差较大。对于大型变压器，普通变压器绕线机生产出来的绕组线圈，由于无法施加任何压力，需要人为敲打、整形，导致绕组线圈误差较大，影响变压器性能，增加原材料消耗。设置压紧装置能够实时对绕组线圈提供轴向和辐向压紧力，使其更紧密规整，提高绕制效率。如何根据现场需要控制压紧力大小，是亟待解决的关键问题。

   另外，变压器绕组线圈的质量主要体现在外观质量上，要求外形美观，线匝排列均匀整齐紧密，没有缝隙或重叠，也没有交叉或凸凹现象。此外，还要达到各项物理指标的工艺要求，这与变压器的使用性能密切相关。从变压器绕组线圈的卷绕工艺流程可以看出，变压器绕线机的性能直接影响着绕组线圈的质量。变压器绕线机要能精确控制各工艺参数，如绕线规格、绕制层数、每层匝数等，实现自动化控制。

    目前国产绕线设备与进口设备相比，在产品性能和生产效率等方面仍存在较大差距，主要原因包括结构材料的选用、机械加工工艺和制造精度、控制原理和方法以及电机质量性能等。

   最终形成的大型变压器绕线机的原理方案是这样的：绕线模架通过安装在主轴箱的花盘和尾座顶部的顶尖套筒来夹持定位，确保绕线模架和夹持机构之间没有相对运动；主轴箱固定在底座上，不能移动，而尾座箱体通过平行导轨实现横向移动，方便夹持不同长度规格的绕线模架；采用高精度滚珠丝杠副和导轨相结合的方式来完成排线动作，由步进电机驱动的滚珠丝杠将电机的圆周运动转换为水平工作台的横向移动，从而驱动安装在水平工作台上的排线机构运动，以确保绝缘导线能够在一定角度下被均匀排列；绕线模架夹持定位后，一方面在主轴电机的驱动下自行旋转，另一方面排线机构水平移动，使绝缘导线被缠绕在绕线模架上，最终完成变压器绕组线圈的绕制。

    主轴系统是变压器绕线机实现绕线功能的核心部件，它的功能是提供变压器绕线机的旋转动力，也就是实现绕线动作，并和尾顶系统一起夹持绕线模架。因此它的设计直接影响着整个设备的功能实现和性能，其结构设计也会直接影响到其他功能模块的设计。主轴箱的箱体采用钢板和型钢焊接结构，一次定位加工成形，材料采用Q235。主轴驱动系统由主电机、变频器和电磁制动器组成，为变压器绕线机的绕线动作提供原动力。传统变压器绕线机通常采用异步交流电机驱动主轴，这种驱动方式会导致绕线机在启停时产生强烈振动，而绕线机的主轴需要频繁启停，导致绕制的变压器绕组线圈紧密性不佳，松紧情况不均，不仅影响外观质量，还严重影响变压器的性能。而大型变压器绕线机的主轴电机采用变频器进行驱动，这种驱动方式可以提高启停时的平稳性，从而大大提高变压器绕组线圈绕制的精确度。

   根据结构紧凑原则的要求，我们需要设计主轴传动系统成行星齿轮减速机和大小齿轮组成的外接花盘结构，这样花盘就能和线轴相连接，实现绕线过程。电机的输出端通过联轴器与行星齿轮减速器相连，经过行星齿轮减速机变速后，输出端通过平键直接连接小齿轮，然后将动力传递到大齿轮，最终通过大齿轮将扭矩传递给花盘，实现变压器绕线机的无级调速和平稳起停。

   尾顶系统是一个可以水平移动的机构，它安装在平行导轨上，与主轴箱上的花盘一起实现对不同长度绕线模架的夹持。这个系统包括尾座箱体、尾座移动系统以及顶尖套筒。尾座箱体采用钢板和型钢焊接结构，一次定位加工成形，所用材料是Q235。为了使尾座移动，电机提供动力，电机的输出端通过联轴器与二级蜗轮蜗杆减速器相连，经过蜗轮蜗杆减速器减速后，通过齿轮和齿条传动将电机的旋转运动转换为直线运动。变压器绕线机底座上端安装有两段直线导轨，可以使尾座沿着导轨水平移动，齿条安装在底座两直线导轨之间，这样当电机提供的动力经过二级蜗轮蜗杆减速器和齿轮传递到齿条时，就可以调整尾座的位置，适应不同长度的绕线模架。变压器绕线机底座采用丁字板结构，上端呈阶梯状，底板下端预留三个孔，相当于梯形槽，尾座调整到位后，可以通过底部预留的孔用螺栓将其固定在底座上。

   顶尖套筒安装在尾座箱体顶部，可以手动调整伸出或收回，方便装卸绕线模架。顶尖采用夹套式结构固定套筒，这种结构夹紧力强、安全可靠。选择了重型回转顶尖，具有回转精度高、承载能力强的特点。变压器绕线机底座采用钢板和型钢焊接结构制成，去除内应力，整体一次加工完成，保证了主轴与尾座顶尖同心，同时也方便设备的安装。为了更好地控制大型变压器绕组线圈的质量，大型变压器绕线机设计了压紧装置，能够在绕线时提供轴向和辐向稳定可调的压紧力。压紧装置包括轴向压紧装置、辐向压紧装置（带压紧头）和龙门式横梁，安装在主轴箱体和尾座箱体上方。

    龙门式横梁采用与主轴同心摆臂式结构，确保变压器绕线机压紧装置的压紧头始终沿着绕线模架的径向对变压器绕组线圈进行压紧。横梁与绕线主轴轴线平行，左右两个摆臂分别安装在主轴箱体和尾座箱体上，安装时无需单独制作基础。横梁的上平面固定有齿条，与轴向压紧装置的传动系统的齿轮咬合，横梁的前侧平面安装有直线导轨。摆臂可以绕轴线旋转，旋转由液压系统控制，通过两个液压缸实现。横梁的左端通过螺栓固定在左支撑臂上方，右端通过导轨与右支撑臂连接滑动，便于安装不同长度的绕线模架。

   变压器绕线机轴向压紧装置能够随着变压器绕组线圈的绕制沿着横梁左右移动并提供轴向压紧力，它与横梁通过导轨连接滑动，它的轴向移动和压紧由伺服电机提供动力，电机的输出端连接精密行星齿轮减速器，经过行星齿轮减速器减速后将动力传递给安装在横梁上端的齿条，这样就将电机的旋转运动转变为压紧装置沿着横梁的直线运动。变压器绕线机轴向压紧装置通过安装板与辐向压紧装置（带压紧头）固定，当设置压紧方向后，电机通过传感器感知驱动压紧头根据变压器绕组线圈的位置变化对变压器绕组线圈进行轴向的随动压紧。

  基于安全方面的设计, 变压器绕线机的安全性是非常重要的性能指标，大型变压器绕线机在设计时充分考虑了安全问题：各个可移动部件的终端位置都设有电气限位和机械限位，实现双重保护，同时变压器绕线机所有电气限位的信号都输入到PLC中，确保在到达极限位置时能及时切断相应动作；所有电动机回路都配备了与电动机功率匹配的电动机保护型断路器，可以对电动机进行过载、短路等多方面的保护，同时将保护信号输入到PLC中，确保在发生故障时能及时切断相应动作；

   变压器绕线机主轴用变频器和轴向压紧用伺服驱动器的故障信号都输入到PLC中，确保在发生故障时能及时切断相应动作；手持型触摸屏的背面设有使能开关，以防止误操作导致不良后果，在进行某些操作时，必须同时按下触摸屏背面的使能开关，相应的部件才能动作，需要按下触摸屏背面的使能开关才能进行的操作包括尾座的位置调整、龙门架的旋转、轴向压紧机构位置脉冲模式下的位置调整以及辐向压紧机构的位置调整；

  因为产品结构优化问题通常是多方面考虑的，我们既要考虑变压器绕线机的性能和寿命要求，又要尽量降低生产成本。随着设计技术的不断提高，设计人员也越来越重视产品的多目标有限元构造优化。但到目前为止，实际生产中应用多目标优化方法解决问题的情况还不太多，因为准确建立工程问题的多目标优化模型对一线设计人员来说还是有点难度。以变压器绕线机压紧装置的多目标结构优化问题为例，我们需要通过对设计变堡进行敏感性剖析，对各分目标函数进行标准化处理，并对所建立的优化模型进行修正，这样才能提高建模的准确性和计算效率。

  成品变压器绕组线圈的外观质量也是很重要的。线匝要密密麻麻排列整齐，不能有交叉现象和中间鼓起或凹陷现象。整齐的变压器绕组线圈不仅能节省线材，还可以提高变压器的载流能力和电气特性。目前很多变压器绕线机在绕线过程中和绕线结束后都需要额外的人工整形，这降低了生产效率。为了避免这种情况，大型变压器绕线机的压紧装置在变压器绕组线圈绕制过程中施加轴向和辐向的压紧力，以确保绝缘导线紧密地缠绕在绕线模架上。不过需要注意施加的压紧力既不能太大，也不能太小，否则会导致绕组线圈的质量问题。如何根据现场生产需要实时地控制压紧力大小，是目前急需解决的关键问题。

    在变压器绕线机绕制变压器绕组线圈的时候，我们施加了轴向和辐向的压紧力，这就相当于对已经绕上的绝缘导线和绕线模架施加了压力，让它们产生了一点位移。随着绕制层数的增加，绕组线圈的外半径也在不断增加，这就导致了在不同层的辐向和不同匝的轴向上产生了不同的累积效应。

    我们测试了压紧装置，模拟了实际绕线条件，结果表明性能指标都达到了设计要求。我们还通过试验做出了不同规格纸包扁铜线绕制过程中轴向压紧力和辐向压紧力随层数和匝数变化的曲线。分析试验数据后发现，变压器绕组线圈绕制压紧力的大小在一定范围内有一个最大值和一个最小值，并且压紧力与层数和匝数近似成正比关系是最合理的。在各项功能检测完成后，变压器绕线机整机试运行的结果表明完全达到了设计要求。

  我们根据市场需求优化了大型变压器卧式自动绕线机，结合了国内外先进经验并采用现代设计方法，成功地完成了变压器绕线机的设计和结构优化。

                                  

   针对变压器绕组线圈的绕制原理以及变压器绕组线圈的绕制工艺，我们对大型变压器绕线机整机系统进行了设计，包括机械结构方案和电气控制方案。在整机设计的基础上，我们对关键零部件进行了详细的设计和计算。并且通过试验我们制作了两种不同规格纸包扁铜线的绕制过程中随着层数和匝数变化的轴向压紧力和辐向压紧力变化曲线。这对于在生产过程中实时控制压紧力大小有着重要的参考价值，同时也是一种切实可行的技术方法。