協普?大型電力變壓器繞線機的優化設計

    在制造電力變壓器的時候，繞制變壓器線圈是一個超重要的步驟，你想想，變壓器線圈繞得更牢靠、整齊一點，變壓器的強度和防護短路能力都能大大提高。但現在的變壓器繞線機大多都得靠人工來對線圈進行額外整理，整個設備自動化程度低，生產效率也不高，所以，研發一臺優秀的大型變壓器繞線機對我們公司來說是至關重要的事情。

                          

   我們對變壓器繞線機的主軸技術、壓緊力與繞組質量之間的關系以及壓緊力的控制等關鍵技術進行了深入研究。根據變壓器繞制原理和工藝流程，我們提出了一整套大型變壓器繞線機的整體設計方案，包括機械結構和電氣控制。從機械上來說，我們簡化了傳統變壓器繞線機的復雜結構。而在電氣控制方面，我們確保電機啟停時的穩定性，保證繞組線圈在繞制過程中的松緊度均勻。對于變壓器繞線機的核心部件——主軸系統和壓緊裝置，我們進行了類型和參數的計算和選擇。通過壓緊裝置，我們能夠在變壓器繞組線圈繞制的過程中提供實時的軸向和輻向壓緊力，這對于提高繞組的緊密度非常有效。

    我們還利用了有限元對繞線機的輻向壓緊裝置進行了靜力學分析，并根據分析結果進行了結構優化。我們發現，隨著繞組層數和匝數的增加，所需的軸向和輻向壓緊力也會相應變化。通過分析實驗數據，我們發現在繞制質量要求范圍內，繞制壓緊力有一個最大值和一個最小值，而將繞制壓緊力與層數及匝數近似成正比關系是最合理的選擇。

     我們公司開發的大型變壓器繞線機已經初步調試完畢并投入市場。經過測試，這臺變壓器繞線機各項性能參數都符合設計要求，運行穩定高效。它能繞制出緊密規整的變壓器繞組線圈，而且得到了市場的充分肯定。

    電力變壓器作為電網設備，通過變壓器繞組線圈間的電磁感應進行電壓的轉換。隨著市場的不斷發展，對變壓器的制造水平提出了更高的要求，市場需要更節能、高效的變壓器。因此，變壓器制造工藝的優化顯得尤為關鍵質量和性能都取決于工藝設備。變壓器繞線機的技術水平直接反映了變壓器的制造水平。因此，加快變壓器繞線機的開發是提高變壓器性能的重要保障。

                            

   變壓器繞組線圈是變壓器的核心組成部分，構成了變壓器的電磁感應部分。它一般包括高壓繞組和低壓繞組，分別接到高壓電網和低壓電網。大型電力變壓器的繞組通常采用同心纏繞的方式，就是將高、低壓變壓器繞組線圈同心地套在鐵芯柱上。變壓器繞組的制造是變壓器的核心工序，它的質量對變壓器的性能起著至關重要的作用，影響著變壓器的外觀尺寸、重量、機械性能、絕緣和耐熱性等重要指標。

    從前，變壓器繞線線圈生產全靠人工，工人們要按照工藝要求手工繞制絕緣導線到繞線模架上。匝數計算也都得靠人工，這種老式方法效率低下，而且由于工人技術不夠過硬，繞線線圈質量較差，匝數可能會算錯或漏計，最終導致成品繞線線圈性能無法得到保證。后來出現了半自動變壓器繞線機，它由電動機帶動主軸旋轉來繞制變壓器繞線線圈，雖然提高了生產效率，但排線工作仍得靠人工，只適用于平繞式變壓器繞組線圈的繞制，而且纏頭纏尾、焊接等操作仍須手工完成，所以產品質量不夠穩定。

   后來，隨著 TTL 邏輯門電路的出現，70 年代中期，隨著 CMOS 技術的發展，各類設備程序控制大量應用了數字集成電路，西方國家和日本等工業強國相繼出現了數控繞線機制造產業。這些數控變壓器繞線機代表了繞線機制造技術的先進水平，尤其是日本、意大利、美國和德國等國家生產的繞線設備更是技術領先。

   現在變壓器繞線機作為變壓器核心零件生產設備，市場需求非常大，國內外的變壓器制造企業都很重視變壓器繞線機先進技術的開發和應用。國內變壓器繞線機生產企業規模較小，技術儲備不足，研發經費有限，所以與國外先進產品相比仍存在很大差距，市場占有率較低，無力與國外競爭。解決變壓器繞線機關鍵技術問題是提高國產繞線設備質量、增強市場競爭力的關鍵。為了滿足變壓器生產廠家對高品質、低價格繞線裝備特別是大型變壓器繞線機的需求，在借鑒國外先進經驗基礎上，結合國內研究成果，研發大型變壓器繞線機具有重要意義和實用價值。

    國外變壓器繞線機的研究起步較早，有著豐富的技術積累，繞線機制的研究和變壓器繞線機的設計已經非常成熟。日本、意大利、美國和德國等國家的繞線設備尤為先進，它們自動化程度高，性能優良，備受用戶青睞。美國的變壓器繞線機及配套設備人機交互平臺完善，機型美觀，程序控制便捷，設備靈活，適用于繞制形狀復雜、高精度的變壓器繞線線圈。這些國家都有自己的核心技術，但是作為技術機密受到保護，這些關鍵技術主要包括主軸技術、高精密排線技術、張力控制技術等方面。

    我國對繞線設備的研究起步較晚，80 年代初開始引進國外的數控變壓器繞線機，90 年代逐漸進入快速發展階段。近年來，國內變壓器繞線機行業通過自主研發和引進吸收國外先進技術，已經形成了一定的生產能力。但多數廠商規模較小，生產的產品難以進入高端市場。國產變壓器繞線機與國外先進產品相比在控制技術、更新速度和新工藝應用等方面存在明顯差距，導致在競爭中處于不利地位，無法抵擋進口產品的涌入。因此，國內業界在實際生產經驗基礎上從幾個關鍵技術點提出了更完善的變壓器繞線機設計方案。

                        

    一是主軸技術，主軸技術涉及主軸箱、驅動部分和傳動部分等方面。主軸作為核心部件，用來傳遞動力和執行動作，而主軸箱則負責支撐主軸高速旋轉，必須滿足結構簡單、工作可靠、維護方便、成本低等要求。變壓器繞線機中的主軸系統與通用機床有所不同。變壓器繞線機在繞線過程中，主軸需要頻繁啟停，如果主軸系統啟停不穩定，會使繞組線圈張力不均衡，產生松緊不均的變壓器繞組線圈，直接影響變壓器的性能指標。

    二是輻壓緊裝置，變壓器繞組線圈的外觀尺寸對變壓器性能有很大影響。如果繞組線圈軸向尺寸超標，會減弱變壓器承受短路機械力的能力，降低抗短路能力；而繞組線圈幅向尺寸超標，會導致變壓器阻抗參數偏差較大。對于大型變壓器，普通變壓器繞線機生產出來的繞組線圈，由于無法施加任何壓力，需要人為敲打、整形，導致繞組線圈誤差較大，影響變壓器性能，增加原材料消耗。設置壓緊裝置能夠實時對繞組線圈提供軸向和輻向壓緊力，使其更緊密規整，提高繞制效率。如何根據現場需要控制壓緊力大小，是亟待解決的關鍵問題。

   另外，變壓器繞組線圈的質量主要體現在外觀質量上，要求外形美觀，線匝排列均勻整齊緊密，沒有縫隙或重疊，也沒有交叉或凸凹現象。此外，還要達到各項物理指標的工藝要求，這與變壓器的使用性能密切相關。從變壓器繞組線圈的卷繞工藝流程可以看出，變壓器繞線機的性能直接影響著繞組線圈的質量。變壓器繞線機要能精確控制各工藝參數，如繞線規格、繞制層數、每層匝數等，實現自動化控制。

    目前國產繞線設備與進口設備相比，在產品性能和生產效率等方面仍存在較大差距，主要原因包括結構材料的選用、機械加工工藝和制造精度、控制原理和方法以及電機質量性能等。

   最終形成的大型變壓器繞線機的原理方案是這樣的：繞線模架通過安裝在主軸箱的花盤和尾座頂部的頂尖套筒來夾持定位，確保繞線模架和夾持機構之間沒有相對運動；主軸箱固定在底座上，不能移動，而尾座箱體通過平行導軌實現橫向移動，方便夾持不同長度規格的繞線模架；采用高精度滾珠絲杠副和導軌相結合的方式來完成排線動作，由步進電機驅動的滾珠絲杠將電機的圓周運動轉換為水平工作臺的橫向移動，從而驅動安裝在水平工作臺上的排線機構運動，以確保絕緣導線能夠在一定角度下被均勻排列；繞線模架夾持定位后，一方面在主軸電機的驅動下自行旋轉，另一方面排線機構水平移動，使絕緣導線被纏繞在繞線模架上，最終完成變壓器繞組線圈的繞制。

    主軸系統是變壓器繞線機實現繞線功能的核心部件，它的功能是提供變壓器繞線機的旋轉動力，也就是實現繞線動作，并和尾頂系統一起夾持繞線模架。因此它的設計直接影響著整個設備的功能實現和性能，其結構設計也會直接影響到其他功能模塊的設計。主軸箱的箱體采用鋼板和型鋼焊接結構，一次定位加工成形，材料采用Q235。主軸驅動系統由主電機、變頻器和電磁制動器組成，為變壓器繞線機的繞線動作提供原動力。傳統變壓器繞線機通常采用異步交流電機驅動主軸，這種驅動方式會導致繞線機在啟停時產生強烈振動，而繞線機的主軸需要頻繁啟停，導致繞制的變壓器繞組線圈緊密性不佳，松緊情況不均，不僅影響外觀質量，還嚴重影響變壓器的性能。而大型變壓器繞線機的主軸電機采用變頻器進行驅動，這種驅動方式可以提高啟停時的平穩性，從而大大提高變壓器繞組線圈繞制的精確度。

   根據結構緊湊原則的要求，我們需要設計主軸傳動系統成行星齒輪減速機和大小齒輪組成的外接花盤結構，這樣花盤就能和線軸相連接，實現繞線過程。電機的輸出端通過聯軸器與行星齒輪減速器相連，經過行星齒輪減速機變速后，輸出端通過平鍵直接連接小齒輪，然后將動力傳遞到大齒輪，最終通過大齒輪將扭矩傳遞給花盤，實現變壓器繞線機的無級調速和平穩起停。

   尾頂系統是一個可以水平移動的機構，它安裝在平行導軌上，與主軸箱上的花盤一起實現對不同長度繞線模架的夾持。這個系統包括尾座箱體、尾座移動系統以及頂尖套筒。尾座箱體采用鋼板和型鋼焊接結構，一次定位加工成形，所用材料是Q235。為了使尾座移動，電機提供動力，電機的輸出端通過聯軸器與二級蝸輪蝸桿減速器相連，經過蝸輪蝸桿減速器減速后，通過齒輪和齒條傳動將電機的旋轉運動轉換為直線運動。變壓器繞線機底座上端安裝有兩段直線導軌，可以使尾座沿著導軌水平移動，齒條安裝在底座兩直線導軌之間，這樣當電機提供的動力經過二級蝸輪蝸桿減速器和齒輪傳遞到齒條時，就可以調整尾座的位置，適應不同長度的繞線模架。變壓器繞線機底座采用丁字板結構，上端呈階梯狀，底板下端預留三個孔，相當于梯形槽，尾座調整到位后，可以通過底部預留的孔用螺栓將其固定在底座上。

   頂尖套筒安裝在尾座箱體頂部，可以手動調整伸出或收回，方便裝卸繞線模架。頂尖采用夾套式結構固定套筒，這種結構夾緊力強、安全可靠。選擇了重型回轉頂尖，具有回轉精度高、承載能力強的特點。變壓器繞線機底座采用鋼板和型鋼焊接結構制成，去除內應力，整體一次加工完成，保證了主軸與尾座頂尖同心，同時也方便設備的安裝。為了更好地控制大型變壓器繞組線圈的質量，大型變壓器繞線機設計了壓緊裝置，能夠在繞線時提供軸向和輻向穩定可調的壓緊力。壓緊裝置包括軸向壓緊裝置、輻向壓緊裝置（帶壓緊頭）和龍門式橫梁，安裝在主軸箱體和尾座箱體上方。

    龍門式橫梁采用與主軸同心擺臂式結構，確保變壓器繞線機壓緊裝置的壓緊頭始終沿著繞線模架的徑向對變壓器繞組線圈進行壓緊。橫梁與繞線主軸軸線平行，左右兩個擺臂分別安裝在主軸箱體和尾座箱體上，安裝時無需單獨制作基礎。橫梁的上平面固定有齒條，與軸向壓緊裝置的傳動系統的齒輪咬合，橫梁的前側平面安裝有直線導軌。擺臂可以繞軸線旋轉，旋轉由液壓系統控制，通過兩個液壓缸實現。橫梁的左端通過螺栓固定在左支撐臂上方，右端通過導軌與右支撐臂連接滑動，便于安裝不同長度的繞線模架。

   變壓器繞線機軸向壓緊裝置能夠隨著變壓器繞組線圈的繞制沿著橫梁左右移動并提供軸向壓緊力，它與橫梁通過導軌連接滑動，它的軸向移動和壓緊由伺服電機提供動力，電機的輸出端連接精密行星齒輪減速器，經過行星齒輪減速器減速后將動力傳遞給安裝在橫梁上端的齒條，這樣就將電機的旋轉運動轉變為壓緊裝置沿著橫梁的直線運動。變壓器繞線機軸向壓緊裝置通過安裝板與輻向壓緊裝置（帶壓緊頭）固定，當設置壓緊方向后，電機通過傳感器感知驅動壓緊頭根據變壓器繞組線圈的位置變化對變壓器繞組線圈進行軸向的隨動壓緊。

  基于安全方面的設計, 變壓器繞線機的安全性是非常重要的性能指標，大型變壓器繞線機在設計時充分考慮了安全問題：各個可移動部件的終端位置都設有電氣限位和機械限位，實現雙重保護，同時變壓器繞線機所有電氣限位的信號都輸入到PLC中，確保在到達極限位置時能及時切斷相應動作；所有電動機回路都配備了與電動機功率匹配的電動機保護型斷路器，可以對電動機進行過載、短路等多方面的保護，同時將保護信號輸入到PLC中，確保在發生故障時能及時切斷相應動作；

   變壓器繞線機主軸用變頻器和軸向壓緊用伺服驅動器的故障信號都輸入到PLC中，確保在發生故障時能及時切斷相應動作；手持型觸摸屏的背面設有使能開關，以防止誤操作導致不良后果，在進行某些操作時，必須同時按下觸摸屏背面的使能開關，相應的部件才能動作，需要按下觸摸屏背面的使能開關才能進行的操作包括尾座的位置調整、龍門架的旋轉、軸向壓緊機構位置脈沖模式下的位置調整以及輻向壓緊機構的位置調整；

  因為產品結構優化問題通常是多方面考慮的，我們既要考慮變壓器繞線機的性能和壽命要求，又要盡量降低生產成本。隨著設計技術的不斷提高，設計人員也越來越重視產品的多目標有限元構造優化。但到目前為止，實際生產中應用多目標優化方法解決問題的情況還不太多，因為準確建立工程問題的多目標優化模型對一線設計人員來說還是有點難度。以變壓器繞線機壓緊裝置的多目標結構優化問題為例，我們需要通過對設計變堡進行敏感性剖析，對各分目標函數進行標準化處理，并對所建立的優化模型進行修正，這樣才能提高建模的準確性和計算效率。

  成品變壓器繞組線圈的外觀質量也是很重要的。線匝要密密麻麻排列整齊，不能有交叉現象和中間鼓起或凹陷現象。整齊的變壓器繞組線圈不僅能節省線材，還可以提高變壓器的載流能力和電氣特性。目前很多變壓器繞線機在繞線過程中和繞線結束后都需要額外的人工整形，這降低了生產效率。為了避免這種情況，大型變壓器繞線機的壓緊裝置在變壓器繞組線圈繞制過程中施加軸向和輻向的壓緊力，以確保絕緣導線緊密地纏繞在繞線模架上。不過需要注意施加的壓緊力既不能太大，也不能太小，否則會導致繞組線圈的質量問題。如何根據現場生產需要實時地控制壓緊力大小，是目前急需解決的關鍵問題。

    在變壓器繞線機繞制變壓器繞組線圈的時候，我們施加了軸向和輻向的壓緊力，這就相當于對已經繞上的絕緣導線和繞線模架施加了壓力，讓它們產生了一點位移。隨著繞制層數的增加，繞組線圈的外半徑也在不斷增加，這就導致了在不同層的輻向和不同匝的軸向上產生了不同的累積效應。

    我們測試了壓緊裝置，模擬了實際繞線條件，結果表明性能指標都達到了設計要求。我們還通過試驗做出了不同規格紙包扁銅線繞制過程中軸向壓緊力和輻向壓緊力隨層數和匝數變化的曲線。分析試驗數據后發現，變壓器繞組線圈繞制壓緊力的大小在一定范圍內有一個最大值和一個最小值，并且壓緊力與層數和匝數近似成正比關系是最合理的。在各項功能檢測完成后，變壓器繞線機整機試運行的結果表明完全達到了設計要求。

  我們根據市場需求優化了大型變壓器臥式自動繞線機，結合了國內外先進經驗并采用現代設計方法，成功地完成了變壓器繞線機的設計和結構優化。

                                  

   針對變壓器繞組線圈的繞制原理以及變壓器繞組線圈的繞制工藝，我們對大型變壓器繞線機整機系統進行了設計，包括機械結構方案和電氣控制方案。在整機設計的基礎上，我們對關鍵零部件進行了詳細的設計和計算。并且通過試驗我們制作了兩種不同規格紙包扁銅線的繞制過程中隨著層數和匝數變化的軸向壓緊力和輻向壓緊力變化曲線。這對于在生產過程中實時控制壓緊力大小有著重要的參考價值，同時也是一種切實可行的技術方法。