（电工理论与新技术专业论文）印刷行业用静电消除器的研制.pdf

印刷行业用静电消除器的研制 d e v e l o p m e n to fs t a t i ce l i m i n a t o ri np r i n t i n gi n d u s t r y a b s t r a c t i np r i n t i n gi n d u s t r y ，p r o d u c t q u a l i t ya n ds a f e t y 缸ea f f e c t e db ys t a t i c t h i sp a p e rc o m p a r e d t h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u st y p e so ft r a n s f o r m e r si nf u l lb a s e do nt h er e s e a r c ht os o l v et h i s p r o b l e m s e l e c tv o l t a g e - t y p ee l e c t r o s t a t i ce l i m i n a t o re l e c t r o s t a t i ce l i m i n a t o rt ob et h ed e s i g n p r o g r a mb yc o m b i n a t i o no fp r a c t i c a li s s u e s t h et e s e a r c hh a sb e e n d o n ea sf o l l o w s ： ( 1 ) an e wt y p eo fd i s c h a r g ee l e c t r o d e so fp r o t e c t i o no fh o u s i n gm a d eo fi n s u l a t i n g m a t e r i a l u s i n gw a sd e v e l o p e d t w e n t yp i n8 m mn e e d l es e w i n gw e r e c h o s e na st h e d i s c h a r g e s p a c i n gb e t w e e ni sl o m m t o t a ll e n 舀ho fd i s c h a r g ew a s3 0 c m ( 2 ) an e w s t a t i ce l i m i n a t o ro ft r a n s f o r m e r so fw h i c ht h ee f f i c i e n c yi s8 7 6 i sd e v e l o p e d t h ew a y st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s f o r m e rw a st e s e a r c hi nt h e o r y e f f i c i e n c yi sl a r g e s t w h e nt h ev a r i a b l el o s si ss a m ew i t ht h ec o n s t a n tl o s s f i r s tw i n dat r a n s f o r m e rb e f o r ei n q u i r y p r o c e s si nt h es y s t e m a m e n d m e n t st ot h ec o r eo ft h em a g n e t i cf l u xd e n s i t y s ot h a tt h e c a l c u l a t i o no fc o i lt u r n sc a nb em o t ep r e c i s e t h ep e r f o r m a n c et e s to ft r a n s f o r m e rw a s d e v e l o p e d t h ep a r a m e t e r so ft h et r a n s f o r m e ra r ei nl i n ew i t ht h ed e s i g no fr e q u i r e m e n t s ( 3 ) t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fs t a t i ce l i m i n a t o ra r ee x p l o r e d t h ec u r r e n t - l i m i t i n g r e s i s t o rw a sm a d et ob es e r i e sc o n n e c t i o ni nc i r c u i tt ot a k et h ew a yt op r e v e n tt h es p a r k d i s c h a r g e f i n a l l y ，e p o x yr e s i nw i t hv a c u u mc a s t i n g t ot h et r a n s f o r m e ra n dc u r r e n tl i m i t i n g r e s i s t o rw i t hs e a l e d a l la b o v e c o m p l e t et h ew o r ko f t h et a s ko fs u b j e c ts u c c e s s f u l i th a sc o n t r i b u t e dt o m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo ft h eo f f s e tp r e s s a tt h es a m et i m e ，t h et e x ti nt h es t u d ya l s oh a v e s i g n i f i c a n tr e f e r e n c ev a l u ef o re l i m i n a t es t a t i ce l e c t r i c i t yo fo t h e ri n d u s t r i e s k e yw o r d s - e t e c t r o s t a t i c ；s t a t i ce t i m i n a t o r ；t r a n s f o r m e r ；p r i n t i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 吲携 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 倒拷 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1印刷行业静电危害及应对措施 在印刷生产过程中，有时会出现纸张或印品相互吸引粘连在一起，难以分离，这种 现象就是印刷静电现象。在气候干燥的冬季，印刷纸张带静电的现象尤为突出，轻则给 正常的输纸、收纸和齐纸造成障碍，重则无法开机印刷【。 1 1 1 印刷行业静电产生的原因 印刷中产生静电的方式多种多样，主要方式为以下几种： ( 1 ) 摩擦和挤压产生静电 摩擦起电是最常见的产生静电的方式。任何两个不同材质的物体接触后再分离，即 可产生静电。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移 到另一个物体使其带正电，而另一个物体得到一些剩余电子而带负电。若在分离的过程 中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会 带上静叫2 1 。 在输纸过程中，纸张受到毛刷、压轮、线带的摩擦；在印刷过程中，纸张受到压印 滚筒和橡皮布滚筒挤压。山于纸张紧密接触、重力挤压、强烈摩擦，表面的温度升高， 分子的热运动加剧，造成电荷迁移，一些物体失去电子带正电，而另一些物体得到电子 带负电，这样纸张就产生了静电。 ( 2 ) 剥离产生静电 纸张印刷后，被迅速地从压印滚筒和橡皮布滚筒中剥离出来，送到收纸链条上。纸 张在剥离的同时，纸张与滚筒之间产生电荷迁移。剥离力的大小，由橡皮布的粘附力和 油墨的黏性所决定，剥离越大，电荷的迁移越多，产生的静电量也越大【3 1 。 ( 3 ) 油墨产生静电 油墨在墨斗、墨辊、印版的高速运转过程中，由于分离和摩擦，被拉成细丝，又断 为墨滴。这种油墨微滴，带有电荷，彼此间互相排斥，产生静电，形成雾状的“飞墨 ， 飞散在车间里，污染半成品和设备，对人体健康也有损害【4 j 。 此外，温湿度也对静电产生有密切的影响。纸张存放在纸库以及车间中，由于温湿 度变化的差异太大，纸张的含水量变化同样很明显。一旦空气相对湿度下降到一定程度 ( 4 0 以下) ，就容易产生静电。而当环境温度上升时，纸张受到摩擦，电荷量运动加 快，使得静电量的产生并积累增加。 印刷行业用静电消除器的研制 1 1 2 印刷行业的静电危害 在印刷中由于摩擦等多种因素的影响，往往会使纸张带有静电。当纸张带有同种极 性的电荷时，纸张之间由于互相排斥，容易造成输纸定位不准，影响套印准确和收纸台 纸张堆放不齐。纸张带有异种电荷时，不仅使它们本身相互吸引，而且还会与印刷设备 相互吸引，同样造成输纸困难、收纸不齐、套印不准而使生产困难。具体来说，印刷行 业中静电造成的危害大概为以下两类 ( 1 ) 影响产品印刷质量 首先是承印物表面带电。如纸张、聚乙烯、聚丙烯、玻璃纸等，它们会吸附纸屑或 弥漫于空气中大量灰尘、杂质等，从而影响油墨的转移，降低油墨转移率，或者因相互 排斥而造成收卷打滑、收卷不齐。 其次是油墨带电，使印品上出现“静电墨斑 ，看上去像是油墨的流动性很差、上 墨不均匀似的。另外，油墨还会因带电而雾散造成对印刷品和印刷环境的严重污染【5 l 。 ( 2 ) 影响生产安全 承印物在带静电严重时，很有可能因超高电位导致空气放电造成电击或起火。带电 的油墨能引起油墨、溶剂着火或通过油墨电击工作人员1 6 】。 1 1 3 印刷行业静电消除措施 消除印刷行业静电的方法主要有以下几种： ( 1 ) 控制相对湿度 这是一个简单有效的办法。由于表面电阻随空气相对湿度的增大而减少，因此，增 加空气的相对湿度，就可以提高纸张表面的电导率，加速电荷的泄露。所以，在印刷周 围环境中洒一些水，有条件的可使用空气加湿器，可以有效地消除静电。在印刷车间安 装空调设备，根据纸张静电的强弱，调整或保持印刷车间的温湿度。一般情况下，车间 温度调整在1 8 2 0 之间，空气相对温度保持在6 0 ，6 5 之间。如果纸张带电较严重， 可把空气相对湿度调整到8 0 8 5 之间l 。n 。 这种方法可以解决静电故障，但是如果处理不当，会造成相对湿度过高，引起纸张 伸缩、弓皱等弊病1 8 j 。 ( 2 ) 加入抗静电剂 抗静电剂又叫静电消除剂或除电剂。其原理是给予纸、薄膜等带电体表面吸湿性离 子而变成亲水性，即吸收空气中的水分，减小电阻，增加导电性，使静电荷不容易积蓄。 此方法在印刷行业中一般是为了消除油墨静电，在油墨里加入1 8 左右的抗静电 剂，使静电消除【9 1 。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 安装静电消除器 在印刷机上安装静电消除器，限据纸张上的静电量大小，通过静电消除器产生的正 负离子消除静电。 和前两种消电方法相比，使用静电消除器不仅消电效果更好，而且便于控制，是印 刷行业必不可少的配套设备。 1 2 静电防护技术发展情况 静电防护技术是一门兴起时间并不是很长的学科，涉及到气体放电理论、材料科学 和近代电测技术等多学科知识，其理论与技术仍处在研究与发展阶段它建立在传统静电 学的基础之上。 1 2 1 静电防护技术研究现状 从安全防护的角度出发，1 9 7 8 年1 0 月，日本产业安全研究所发表了静电安全指 南一书，该书的序言中说【1 0 】：“由于静电在某些工厂和企业中已经成为引起爆炸、火 灾和各种生产故障的原因，所以防静电措施在很早以前就成为安全生产的研究课题之 一。但是在当时不论是国内还是国外，有关防静电措施的完整资料都很少见，致使防静 电工作缺少必要的技术知识和防范措施。” 如今，常规条件下的静电防护技术正日益完善，并制定了各种静电防护标准，如美 国先后制定了1 0 0 多个e s d 防护标准，大到静电控制大纲，小到静电产品( 如腕带、手 套、包装袋等) 的企业标准。从测试方法到产品性能、技术规格、技术参数。都有相应 的技术标准一这就为各种防静电产品的公平竞争和全方位的综合治理e s d 危害，奠定 了重要的技术基础。目前，国外从事e s d 测试标准研究和制定的机构主要有：国际电 工委员会( i e c ) 、欧洲计算机制造协会( e c m a ) 、美国国家标准协会( a n s i ) 和i e e e 能量工程协会等国际电工委员会于1 9 9 1 年和1 9 9 5 年两次修改e s d 标准( 分别为 i e c 8 0 i 2 和i e c l 0 0 0 4 2 ) 并与欧洲标准委员会、国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 协调统一了标准规定的e s d 模型参数，使e s d 研究进一步标准化、规范化1 1 1 1 。 我国e s d 技术标准和技术法规的制定与颁布起步于8 0 年代中期，先后参照国外相 关标准制定了数十种国家标准和行业标准，并于1 9 9 5 年首次定义了“静电危险场所”。 提出了分类防护的技术等级和措施，但是无论在数量上，还是质量上都不能满足我国静 电防护工程发展的需要，急待研究补充【1 2 】。 人们最早意识到静电的危害是从工业生产方面，纸张的沾粘，以及油罐车起火等等， 也是从那时起人们开始研究静电消除的方法。将产生的静电迅速地向大地泄露是最先利 用的方法，即提供导电通路，使电荷及时导入大地，静电积累不起来，也就不会造成危 印刷行业用静电消除器的研制 害。建筑物上的避雷针、油罐车拖一条触地的金属链就是人们最早使用的疏导静电的办 法。接地的方法简单实用，但在大型生产中并不适用，而且应用面窄，所以在上个世纪 6 0 年代发明出了第一台静电消除器【1 3 1 。静电消除器消除静电的方法是中和，就是产生 气体离子，去中和带电工件或材料( 主要是绝缘体) 表面的静电荷。离子的产生一般是 利用尖端放电的原理使气体电离，从电场的分布规律可知，带电的针状导体，在半径最 小的针尖附近，电场强度最高。强电场会使针尖周围的空气分子激发电离，形成一个放 电的电层。电晕放电电流虽然很小( 微安到毫安级) ，但却产生了足够的离子。与静电 电荷极性相反的气体离子运动到带电表面，就可以将表面静电中和掉。 随着工业的进步，尤其是微电子领域的的发展，静电的危害造成的损失越来越大， 美国每年因静电放电致使半导体器件的损失达1 0 0 亿美元，英国达2 0 亿美元，日本的 微电子产品报废损失中有7 0 是因静电放电造成的。在这种形式下就要求静电消除技术 进一步的发展，也需要性能更加完备的静电消除设备。从上个世纪的最后二十年到现在， 静电消除器得到了长足的发展，种类也越来越多。现在，静电消除器已经成为消除静电 的最常见的手段。 除了静电消除器，比较常见的消除静电的方法还有湿度管理和添加消静电剂。增加 潮湿度可以使表面电荷不容易积累。目前广泛应用的消静电剂是表面活性物，通过不同 的渠道泄露静电荷或降低摩擦系数，从而抑制静电荷的产生，降低聚合物材料的电阻， 加快电荷的泄露速度。 此外，人们平时使用的防静电工作服，防静电台垫等也是静电防护技术在实际生活 中的应用。 1 2 2 静电消除器的发展 静电消除器发展至今已有几十年的历史，根据应用场合的不同已经有多种类型，按 产生离子的方式可分为感应式静电消除器，同位素静电消除器和高压静电消除器。 ( 1 ) 同位素静电消除器 对于易燃易爆的场合，有一种简便安全的静电消除器，即同位素静电消除器可供选 用。它是利用同位素放射源发射的a 射线使空气电离成正负离子，去中和工件上的静电 荷。a 射线有穿透能力。可对密闭的空间内的静电荷进行消除。 该类静电消除器由同位素放射源、屏蔽框和保护网等部分构成。同位素放射源是厚 0 3 o 5 m m 的片状元件，用紧固件固定在屏蔽框底部，屏蔽框应有足够的厚度，以防止 射线的危害。前面装上保护网，以防止工作人员意外地直接接触到同位素放射源【1 4 】。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 镭( r a ) ，针( p o ) ，杯( p u ) 等元素的同位素能放射a 射线。其中，p o 2 1 0 几乎是一 个纯a 射线发射体，而且它的放射比很高，防护简单，生产容易，价格也较低，最适合 使用。 ( 2 ) 无源感应式静电消除器 感应式静电消除器也是最早的静电消除器。根据的是电荷感应原理制作的，这种静 电消除器由许多接大地的导电的针状导体组成。它靠近带高压静电的物体表面时，导电 针上会感应出与静电电荷极性相反的电荷并在针尖部位产生电晕放电，所产生的与静电 电荷极性相反的空气离子在电场力的作用下，运动到带电物体表面，从而把静电电荷中 和掉。 在接近带电物料上空安装一个接地的针电极，由于静电感应电极针上会感应出相反 极性的电荷，以使针电极附近形成很强的电场。当局部电场强度高到一定程度时，使周 围空气发生电离形成电晕放电，结果产生正离子和电子。在电场的作用下，与带电物体 相反极性的正离子( 或电子) 向带电生产物料移动，而与带电生产物料同极性的电子( 或 正离子) 则向针电极移动。于是，带电生产物料上的电荷得到中和，同时针电极流过与 带电物料同极性的电晕电流。如果生产物料上不断地产生新的静电荷，则针电极的电晕 放电也持续不断，电晕电流也就持续不断【1 5 】。 ( 3 ) 高压静电消除器 高压静电消除器是静电消除器中种类最多，应用最广的类型，包括交流型静电消除 器，稳态直流型静电消除器，脉冲直流型静电消除器。 稳态直流型静电消除器是带有直流高压电源直接耦合的电晕放电器，放电器产生的 是直流电晕，其电晕中基本上不含带相反电荷的离子。但是当带电体电荷的极性发生变 化时，直流高压静电消除器输出电压极性也相应变化，否则将失去消电作用。另外，当 带电体电荷大幅度减弱时，直流高压静电消除器也应相应调整，否则可能使带电体带上 相反极性的电荷。 脉冲直流静电消除器是一种新型的适合于电子和洁净厂房消除器。脉冲直流静电消 除器有正、负两套可控的直流高压电源，它们以4 6 s 的周期轮流交替地接通一关断， 从而交替地产生正负离子。 交流型静电消除器又包括高频高压型和工频高压型，高频高压型静电消除器的高压 电源是高频的，频率可控制在几千至数十千赫兹范围内，高压输出在1 0 k v 左右，也有 的控制在3 3 0 k v 范围内。工频高压静电消除器电压是低频的，输出电压一般在6 k v 左 右【1 6 1 。 印刷行业用静电消除器的研制 1 3 选题及研究内容 综上所述，静电不仅影响印刷行业的产品质量，更严重影响到了生产安全，需要采 取防护措施，静电消除器也就成为印刷行业里的配套组件。现今，印刷行业向高速发展， 消除静电问题迫切需要解决，我国9 0 年代之前静电消除器多依靠外国进口，国产印刷 配套消除器不可靠，但进口价格过高，所以需要提高我国的静电消除技术。本文结合企 业课题，研制一款供国产胶印机配套使用的静电消除器，提高我国胶印机机械水平，同 时也为其他行业( 纺织，造纸) 消除器的研制工作提供参考。 本工程实践性强，计划研究内容如下： ( 1 ) 探讨各类静电消除器的工作原理，确定所研制设备的技术方案； ( 2 ) 探讨并解决放电极设计中的相关问题； ( 3 ) 重点研制静电消除器的高压电源部分； ( 4 ) 对静电消除器的安全可靠性进行探讨； 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 工频高压静电消除器 本章从消电性能，应用场合，防火性能等方面比较了各种静电消除器，针对造纸印 刷行业的实际情况选择工频高压型静电消除器作为研究方案。然后详细介绍了工频高压 静电消除器的结构和工作原理。 2 1技术方案的确定 静电消除器种类繁多，功能各有优劣，不同的消除器使用于不同的场合，这里我们 对各种静电消除器进行一番比较。 各类型静电消除器性能比较表2 1 1 1 7 , 1 8 , 1 9 l 。 表2 1 静电消除器消电性能比较 t a b 2 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fs t a t i ce l i m i n a t o r 因为文本设计的静电消除器应用于造纸印刷行业，所以我们要联系造纸印刷行业的 具体情况选择类型。首先自感应式静电消除器消电能力弱，而且在带电物料电位低的情 况下消电非常困难，不适用。而同位素静电消除器因为对人体不安全，只能应用于密闭 空间也不适合造纸行业。脉冲直流静电消除器与稳态直流静电消除器消电能力虽然很 强，但不能同时产生正负离子，只有在已知电荷的情况才可以，而造纸印刷中两种离子 同时产生。最后，在交流型静电消除器中，对比高频型复杂的制作工艺，工频型结构更 加简单，制作容易，成本更低。 印刷行业用静电消除器的研制 综上所述，工频静电消除器优点是消电性能好，成本低，制作方便，稳定可靠，这 就是本文选择它作为研究方案的原因。缺点是防火性差，如何提高防火性是本文的工作 重点。 2 。2 工频高压静电消除器工作原理及结构 2 2 1 工频高压静电消除器工作原理 前文已经简要的介绍了静电消除器的种类及其原理，下面就详细阐述本文研究的工 频高压静电消除器的工作原理。 图2 1 交流静电消除器原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fe x c h a n g eo fs t a t i ce l i m i n a t o r 如图2 1 所示，交流型静电消除器的基本原理是利用高电压在放电针尖端附近造成 强电场，使空气电离。高压静电消除器主要由高压发生器和装有多支放电针电极的杆组 成。交流高压静电消除器提供极性交变的电场，若带电体带正电，则电源负半周时带电 体上的静电得到中和；反之，若带电体带负电，则正半周时带电体上的静电得到中和【刎。 2 2 2 工频高压静电消除器结构 工频高压型静电消除器是由高压电源和放电极构成的，其中所谓高压电源就是变压 器。 ( 1 ) 放电极 放电极是由高压端与电压端构成的。根据电晕放电原理产生正负离子。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 放电极是产生正负离子的装置，是整个变压器的核心。对放电极的设计要考虑到工 作的稳定性，一致性。对放电针材质规格的选取就显得尤为重要，放电针的间距也是同 样要考虑的问题，不同的间距对消电性能有很大的影响。同时因为工作在高压情况下， 对安全性的考虑也非常重要。 ( 2 ) 高压电源 工频高压静电消除器的高压电源就是一个变压器。 变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合( 不 同的用途) 变压器的绕制工艺会有不同的要求。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗 变换；隔离；稳压( 磁饱和变压器) 等，变压器常用的铁芯形状一般有e 型和c 型铁芯 2 1 1 o 变压器由铁芯( 或磁芯) 和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源 的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 铁芯 铁芯是变压器主要磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为0 3 5m m o 3 m m o 2 7m m ， 表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成铁芯分为铁心柱和横片俩部分，铁芯柱套 有绕组；横片是闭合磁路之用。铁心结构的基本形式有心式和壳式两种l 勿。 线圈 绕组是变压器的电路部分，它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成。 变压器是整个静电消除器的供电设备，变压器的良好工作状态是静电消除器正常运 行的保证，它的效率直接影响静电消除器的效率，如何提高效率，降低成本是设计的重 点所在。同时也要考虑到变压器的安全性【2 3 1 。 2 3 小结 本章从消电性能，应用场合，防火性能等方面比较了各种静电消除器，然后针对印 刷行业的实际情况选择工频高压型静电消除器作为技术方案。最后详细介绍了工频高压 静电消除器的结构和工作原理。 印刷行业用静电消除器的研制 3 放电极的设计 放电极是静电消除器产生正负离子的装置，重要性不言而喻。如何更好设计放电极 也是设计静电消除器的重要环节。图3 1 给出了几种典型的放电极类型【驯。 3 乓薄4 3 l 一高压导线2 一放电升3 一放电针绝缘物 t 一放电竹金属接墟外覃5 一放电竹金属支架 图3 1 工频高压静电消除器放电极结构 f i g 3 1 d i s c h a r g ee l e c t r o d eo ff r e q u e n c yh i g h - v o l t a g es t a t i ce l e c t r i c i t y 工频高压电源由升压变压器供给，其原理结构如图3 1 所示。变压器副边的高压端 图( a ) 是通过电阻接向放电的针电极；图( b ) 是通过电容接向放电的针电极。 从图3 1 中可以看出这几种工频高压静电消除器电极防护罩支架均是金属外壳，而 且直接把金属外壳当作低压端。 本文设计的放电极从二个方面入手，分别是放电针和防护罩。 ( 1 ) 放电针的设计 放电针是根据电晕放电原理产生正负离子的。 大连理工大学硕士学位论文 强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电，属于一种电晕放 电。原理是物体尖锐处曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，致使其附近部分气体被 击穿而发生放电。 由原理可知，静电消除器的放电针的针尖曲率半径应该尽可能的小，这样才能增大 曲率，击穿空气效果更加明显。同时要保持放电针的曲率半径一致。 材质的选择 因为在放电过程会产生电火花，会腐蚀放电针，故应选择耐腐蚀的金属，例如铜钨 合金，不锈钢等。本文采用缝纫用钢针，长8 m m 。 选择缝纫用钢针的另一个原因是因为要保持放电针曲率半径一致性，采用别的材质 都需要再加工，增大加工成本。 放电针间距 相邻针电极间距的大小决定了静电消除器的消电效能，靠的太远消电效果差，靠的 太近因为静电屏蔽作用也会影响消电能力。从图3 1 可以看出在电压相同时，相邻针电 极间距与电流的关系。且针电极间距与针电极长度之比接近1 时有良好的消电效能。 表3 1 放电针间距对电流的影响 t a b 3 1 d i s c h a r g ep i ns p a c i n g0 nt h ei m p a c to fc u r r e n t 从图可以看出针电极间距与针电极长度之比接近1 时电流最大，消电效能最好。 ( 2 ) 防护罩 由图3 1 可以看出，现有的静电消除器放电极防护罩支架均是金属外壳，往往是直 接把金属外壳当作低压端，在实际工作中存在很多问题，因为在中国大部分印刷行业里 都没有良好的接地，只能与胶印机外壳相连，电压不稳定，导致电荷释放有问题。 针对这个情况，本文设计的放电极特点是支架是由绝缘材料制造。而且支架用绝缘 材料，可以降低带电体对地分布电容，增强消电效果。放电针电极前端与金属接地外罩 上开孔或开槽的边缘应保持适当距离。距离大，其间的电场强度减弱，导致电晕减弱， 消电效能降低；距离太小，则保护罩的屏蔽作用增大，以致降低消电性能，为此外罩开孔 直径或长槽宽度一般取1 0 r a m 为宜。 放电极示意图如图3 2 所示。 印刷彳亍业州静电游除器的研制 放电极实物图如 嘲33 放电极实物削 f i 9 33d i s c h a r g ep h y s i c a lm a p 本章选取8 r a m 缝纫钢针作为放电针，针间距为1 0 m m 并针对现有的静电消除器 放电极为金属外罩所带来的问题，研制了一款绝缘防护外罩。 大连理工大学硕士学位论文 4 高压变压器的设计与制作 如前所述，工频高压静电消除器是由高压发生器和装有多支放电针电极的杆组成， 对工频高压静电消除器的设计就是对高压发生器和电极的设计，其中对高压发生器的设 计更是重中之重。这里的高压发生器就是一个高压变压器。 4 1变压器的设计 变压器作为静电消除器的设备供电电源，在整个静电消除中起着非常重要的作用。 变压器的良好工作状态是静电消除器正常运行的保证，这就要求对变压器必须进行精细 的设计。 变压器的设计分4 步，分别是： 选择铁芯，包括铁芯直径和铁芯材质的选择。铁芯的选择直接影响到变压器的 效率； 计算各级线圈匝数； 验算窗口面积之后修正设计； 重新计算线圈匝数及线径，验算窗口面积 以上每一步都必不可少，下面就按实际工程要求通过上面的步骤研制变压器。 设计要求如图4 1 所示。 图4 1 变压器设计要求 f i g 4 1r e q u i r e m e n t so fd e s i g no ft r a n s f o r m e r ( 1 ) 铁芯选择及计算 铁芯直径是变压器的最基本的参数，因为铁芯的大小旦确定，也就决定了绕组的 内径以及原，副绕组的匝数，从而影响到整个变压器的尺寸和各主要性能参数。它的正 印刷行业用静电消除器的研制 确选定还涉及到变压器材料消耗的铜铁比。是影响优化设计的重要因素。所以确定铁芯 的直径是设计的第一步。 首先，从变压器原理的分析可知，在保持铁芯磁通密度一定的条件下，铁芯直径的 增大将使得绕组匝数减少，换句话说，铁芯材料消耗的增加将使得导线材料的消耗减少 并使得短路阻抗、负载损耗值降低；如果减少铁芯直径，则会得出相反的结论。其次， 如保持绕组匝数不变，增大铁芯直径将使得磁通密度降低，而空载电流、空载损耗均将 相应下降，但铁芯材料消耗将增加；反之，如减少铁芯直径则有可能引起铁芯过饱和以 致使空载电流和空载损耗均大为增加【矧。 综上所述可知：铁芯直径的选取首先将关系到整个变压器的制造成本。这主要应视 铁芯材料的增加( 减少) 及导线材料的减少( 增加) 之中哪一个量变化对制造成本的影 响更大来决定。其次，铁芯直径的变化还将影响到变压器各技术性能参数( 如空载电流、 空载损耗、负载损耗、短路阻抗等) 的改变。第三，如前所述，铁芯直径的选取还影响 到整个变压器的尺寸、形状等。因此铁芯直径的选取是一个复杂的技术经济问题，往往 也是变压器实现优化设计的关键。 铁芯直径的选取是一个复杂的技术经济问题。以往选择铁芯直径的方法是较多的， 如按照容量、短路阻抗、损耗值等，但这些公式使用起来都比较复杂。我国目前在设计 时，一般均在综合考虑上述因素之后，采用下列半经验公式来计算铁芯直径，即【2 6 l ： d = 钷 ( 4 1 ) 式中k d 铁芯直径经验系数，它的值与铜铁材料消耗比，合理的变压器尺寸以及系 列设计等因素有关。单相铜铝线趸n 为5 5 p 变压器触及功率，v a 。 次级总功率 由公式p 2 = 厶+ 现l + + 玑l ( 4 2 ) 计算次级总功率 - - u 2 j 2 = 6 0 0 0 v 0 0 0 2 a - l a ( 4 3 ) 初级总功率 由次级总功率只求初级总功率曰。 理想变压器p l 与p 2 相等，但在实际生产中，变压器本身会产生损耗，变压器的损 耗包括：铁心的涡流损耗、原副绕组的铜损耗及原副绕组的漏磁损耗。由于变压器存在 着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数 来对此进行描述，n 等于输出功率输入功率。 大连理工大学硕士学位论文 所以考虑到变压器损耗，初级功率由下式计算 a 一丝 ( 4 4 ) r r 的取值与变压器的功率有关，功率越大，所产生的损耗越大，r 值越大，一般取 0 7 加9 ，5 0 v a 以下为0 7 加7 5 ，1 0 0 v a 以上为0 8 5 - 0 9 。这里我们取r 为0 7 5 ，计算得： 足。墨旦。1 a ( 4 5 ) 叼0 7 5 截面积 所需铁芯截直径为： d 一丑2 5 2 c m ( 4 6 ) 铁芯截面积为： s ；三石d 2 。5 c m 2( 4 7 ) 在实际选择铁芯之前，还要弄清楚一个相关的系数如铁芯的空间填充系数 ( s p a c ef a c t o r ) ，由于一般变压器的铁芯都是采用硅钢片迭成的圆内接多级矩形截面( 如 图4 2 所示) 。显然，当多级矩形的级数愈多时，则它的截面愈接近圆面积。通常把多 级矩形的几何截面积与圆面积之比称为铁芯的空间填充系数，即【2 7 1 ： ， 铁芯的实际几何截面积 多级矩形的总几何截面积， b 2 丽瓣丽面r2 1 i n 当铁芯级数愈多时，则填充系数愈高，这就意味着空间利用效果较好，漏磁也较少。 但是，随着级数的增加，则铁芯的冲剪、叠片等工时都大为增加。所以铁芯的级数要选 择恰当，总的原则是直径愈大则级数愈多，一般为0 9 0 8 - 0 9 6 7 。 印刷行业用静电消除器的研制 图4 2 铁芯截面图 f i g 4 。2 c o r es e c t i o n 铁芯结构 变压器铁芯是主磁通的通道，从结构形式总体上来分，有壳式和芯式，如下图3 3 所示。 ( a ) 中心宽 图4 3 铁芯结构 f i g 4 3 c o r es t r u c t u r e ( b ) 标准化叠厚 本文采用壳式，其中中心宽a ，标准化叠厚b 可视情况选择，但一般a 与b 之比不 能超过1 2 ，最好为1 1 5 ，并让a x b 5 。 铁芯材料的选择 大连理工大学硕士学位论文 对铁芯材料的选择就是对最大磁通密度b 的选择，首先，当磁通密度取得较大值时， 无疑可以节省铁芯材料消耗，但磁通密度取得越大，则越接近饱和点，将使激磁电流与 铁芯损耗均大大增加，从而使运行损耗增加，铁芯发热增加l 捌。 其次，最大磁通密度b 值的选择还要考虑运行特点。例如对电力变压器来说，要考 虑电压超过相应分接电压的+ 5 ，即当过激磁5 时在额定容量下仍能继续运行。而对 试验变压器、调压器，则要可靠防止变压器运行在饱和段，以保持输出电压波形为正弦 波【2 9 1 。 为此，当电压最大值不超过相应分接电压的5 时，变压器在该分接的容量下可连 续运行。即是说，变压器能在1 0 5 的额定电压下输出额定电流。对于某些特殊使用情 况，还要求在不超过1 1 0 额定电压下运行，即在这种情况下铁芯也不应过激磁。因此， 当电流为额定电流的k ( 0 s k - ：1 ) 倍时，按规定一般应按下式对电压加以限制，即 u ( ) = 1 1 0 5 k 2 ( 4 8 ) 显然，当变压器空载时k 为o ，则u ( ) 为1 1 0 ，因此当考虑上述运行条件后，变压 器的磁通密度应控制在1 7 2 1 8 2 t 及以下，所以目前大型变压器的设计磁通密度均不超 过1 7 5 1 8 t 。 在综合考虑上述因素后。目前设计中b 的选取范围为1 5 5 1 7 5 t 。对中、小型变 压器，一般为1 5 5 1 6 5 t , 对大型变压器，一般为1 7 。1 7 5 t 。 在此基础上，对变压器所用的铁磁材料，还主要有下列要求【刈： a 、单位重量的铁耗( w k g ) 尽可能低，以节省能耗； b 、磁化特性好，不易饱和； c 、加工容易，机械性能好； d 、电阻率高，尽量减小涡流损耗； e 、叠片系数高，以增加有效的导磁面积，相应降低损耗。通常叠片系数每提高1 0 0 ， 损耗可降低5 左右； f 、价格经济合理。 早期应用于变压器的硅钢片与旋转电机一样，都是热轧硅钢片，二次世界大战后， 冷轧硅钢片有了飞速发展并被广泛应用于变压器。热轧，顾名思义，轧件的温度高，因 此变形抗力小，可以实现大的变形量。以钢板的轧制为例，一般连铸坯厚度在2 3 0 r a m 左右，而经过粗轧和精轧，最终厚度为1 - 2 0 m m 。同时，由于钢板的宽厚比小，尺寸精 度要求相对低，不容易出现板形问题，以控制凸度为主。对于组织有要求的，一般通过 控轧控冷来实现，即控制精轧的开轧温度、终轧温度和卷曲温度来控制带钢的微观组织 和机械性能。冷轧，一般在开轧前是没有加热工序的。但是，由于带钢厚度小，很容易 印刷行业用静电消除器的研制 出现板形问题。而且，冷轧后为成品，因此，为了控制带钢的尺寸精度和表面质量，采 用了很多很繁琐的工艺。冷轧的生产线长，设备多，工艺复杂。随着用户对带钢尺寸精 度、板形和表面质量要求的提高，冷轧机组的控制模型、l 。和1 2 系统、板形控制手段相 对热轧要多。而且，轧辊和带钢的温度也是其中一项比较重要的控制指标1 3 l l 。 影响硅钢片电磁性能的主要因素有【3 2 】： a 、含硅量：加硅后，可提高它的电阻率，从而降低涡流损耗，但含硅量不可过高， 否则将使硅钢片变脆，一般硅钢片的含硅量为3 一5 ，最高也不超过5 。另外，含硅 量的大小还影响到硅钢片的饱和磁通密度b 的大小。此外含硅量的大小，对硅钢片的机 械性能以及电阻率等都有影响。 b 、厚度：硅钢片的厚度主要影响涡流损耗的大小，片愈薄则涡流损耗愈低，但随着 硅钢片的变薄，它的价格也将要增加。另外，叠片系数也将降低。 c 、硅钢片的轧制方向与磁力线的方向：对于冷轧硅钢片而言，它最重要的特点就是 “方向性 ，即只有当磁力线的方向与轧制方向一致时，它的损耗才最低，所以这种硅 钢片又叫“取向硅钢片 ，愈是优质的冷轧硅钢片，其方向性愈明显。 d 、磁通的波形：当铁芯内的磁通波形为非正弦波时，必然含有一定的高次谐波分 量，其中影响较大的主要是三次谐波。由于涡流损耗与频率的平方成正比，所以高次谐 波的存在必将引起一定的附加涡流损耗。因此，在考虑铁芯的结构与选择变压器的联结 组时，应尽可能从改善磁通的波形出发，以最大限度地减少高次谐波的含量。 f 、机械加工的影响：通常硅钢片在加工，搬运，叠装等过程中，要受到切、砸、压、 弯、热等机械外力的作用，从而造成硅钢片内部应力的增加，相应将使得电磁性能变坏， 其铁耗与空载电流都将显著增大。愈是优质的硅钢片，愈容易受到机械外力等的影响。 因此，除了在机械加工及搬运中应注意文明生产之外，还应在硅钢片的剪切中采用先进 的工装设备等。如实在由于因机械加工而使损耗增加过多时，则应在铁芯叠装完成后， 再进行退火处理，以使其磁性能得以恢复，实践证明，当采用卷铁芯结构时，由于卷制 过程中受外力的影响较大，必须有退火工艺才能恢复其磁性能，而且用非晶合金制作的 卷铁芯，还必须在一定磁场强度下进行退火处理。 g 、铁芯的夹紧结构：以往，铁芯结构多采用在芯柱上冲孔再装穿心螺杆以紧固芯柱 的办法，由于冲孔后不仅使硅钢片受到机械应力，还在孔的四周使磁力线改变方向并与 轧制方向形成角度，从而将使得局部损耗增加，因此目前的铁芯柱已不冲孔而改用环氧 玻璃钢带绑扎固定等结构方式来代替。 从以上的分析可知，冷轧硅钢片的电磁能力更强，机械性能更好，所以本文采用的 就是冷轧硅钢片。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 匝数计算及相关问题 对变压器匝数的计算包括如下几个部分： 每伏匝数 确定了铁芯之后，下一步就要确定线圈匝数，由公式得， o 。1 4 5 - x 1 f 0 5 ；口6 ) ( 4 9 ) 。 b s 、7 式中0 每伏匝数 召最大磁通密度 b 查资料取1 7 0 0 0 g s ，计算n o = 4 0 4 1 初级匝数 初级绕组 1 一u 0 ( 4 1 0 ) 出于保护及损耗的角度，计算初级匝数的时候初级电压要多取1 0 的余量，即： l = u 0 x 1 1 0 = 1 0 6 7 ( 4 1 1 ) 次级匝数 次级绕组考虑变压器漏感和损耗要加5 的余量， n 2tu 2 n ox 1 0 52 2 7 7 8 3 ( 4 1 2 ) 问题及解决 在实际生产中，计算出的变压器的线圈匝数的理论值往往不够精确，究其原因，主 要是铁芯磁通密度的选择出现问题。铁芯的磁通密度并没有特别方便的测试方式，很多 时候只是取近似值，难免会出现偏差。而这些偏差会造成效率的降低，也可能使变压器 过热，甚至有火灾的隐患。这就需要采取方法尽量减少误差。 本文采用一种方法避免磁通密度不可知的情况。首先试缠一个变压器，通过测变压 比的方式，测出变压器的性能参数，包括正常工作时的电压电流，然后通过理论计算公 式，反推出铁芯的磁通密度值，根据这个值计算出的变压器通过实验证明线圈匝数更加 精确。 ( 3 ) 线径计算 电流密度一般取3 a m i n 。 线径由如下经验公式计算， 厅一 d 一i - 兰o 7 8 5 ( 4 1 3 ) v3 式中，d 为线径 印刷行业用静电消除器的研制 i 为电流 由式4 1 3 计算得： o , - 每磊= o 1 2 m 小 川 厅一 厉a f 兰x o 7 8 5 - 0 0 4 3 m m ( 4 1 5 ) 。 y3 此处计算出的仅仅是裸铜线，在实际生产中，要在线径外面刷一层绝缘漆，裸线直 径与最大漆包线之间有经验计算公式： 理论值 + 经验值= 最大漆包线 o 2 5 m m+ 0 0 4 o 1 5 - o 2 5 + o 0 3 o 1 5+ 0 0 2 根据公式，最后计算出的初级次级线径分别为0 1 4 m m ，0 0 4 3 m m 。 ( 4 ) 验算窗口面积 计算出的数据不能立刻用于制作，必须要检验窗口面积能否满足缠绕漆包线之后的 大小。经过计算，本文计算的数据