变压器绕线机设计

1、变压器绕线机设计曹雅欣摘要：本文对变压器线圈绕制工艺要求及电力变压器绕线机功能的分析，对大型变压器卧式自动绕线机整机系统进行了设计。本绕线机总体结构合理，技术性能先进，具有主轴扭矩大、运行平稳、适用范围广、压紧力恒定、绕线匝数准确、操作简便、显示直观等优点，是一台包含控制系统、伺服系统和机械在内的机电一体化的变压器大型线圈绕线专用设备。关键字：大型绕线机；变压器绕组线圈；1 线圈绕制的基本原理绕制线圈之前，绕线模架固定在主轴和尾座之间，绕制时，主轴带动绕线模架旋转，精密排线系统以和主轴旋转相一致的速度做往复直线运动，将绝缘导线紧密缠绕在绕线模架上。图2-1 绝缘导线运动规律绝缘导线的运动规律见

2、图2-1，绝缘导线运动为螺旋线形式，由几何关系和速度分析可知hnvh=lkv（1-1）式中 vh ¾¾ 导线速度(排线导针的移动速度)； hn ¾¾ 匝间的法向螺距v ¾¾ 卷绕线速度(单位时间内的绕线长度度)； lk ¾¾ 电磁线卷绕一周的长度。公式（2-1）表明，在线圈绕制中，想要使绝缘导线均匀紧密排列，那么hn值应保持恒定，lkv为绕线主轴旋转一圈所用的时间，在稳定绕制（除启动和停止阶段，此阶段占绕线总时间的比例较小，对排线精度影响有限）过程中，绕线主轴转速n不变，即lkv保持不变。2 线圈绕制工艺要求绕组线

3、圈的质量要求主要包括：外形美观，线匝之间能够排列均匀整齐紧密，既无缝隙也无重叠即排列，线匝间无交叉现象和中间凸出或内凹现象，每个线圈外形一致。此外，还有和线圈使用性能密切相关的各项物理指标，如匝数、阻抗和感抗、绝缘强度、温度变化等。图1-2是大型变压器线圈绕制工艺流程图。图1-2 变压器绕组绕制工艺流程常见的变压器单螺旋线圈见图1-3。图1-3 变压器单螺旋绕组由变压器线圈卷绕工艺流程可以看出，线圈的质量取决于绕线机的性能。目前国产绕线设备的性能与进口绕线设备相比，在产品性能和生产效率等许多方面还有较大的差距，其原因包括结构材料的选用、机械加工工艺及制造精度、控制原理和方法、电机质量性能等。3

4、 变压器绕线机原理方案设计3.1 功能分析根据线圈绕制工艺流程和加工工艺的要求，对绕线机的功能进行分析以确定绕线机的机构组成。各功能如下：(1) 主轴系统主要实现绕制时绕线模架的旋转即绕线动作；(2) 尾顶系统和主轴配合实现绕线时绕线模架的夹持固定；(3) 排线机构主要负责绝缘导线沿绕线模架轴向均匀排列；(4) 放线机构主要用于实现导线线盘的放置以及送线、倒线功能，并且要有张力控制装置为导线提供稳定的张紧力；(5) 压紧装置用于提供绕线时施加对线圈轴向、径向的压紧力；(6) 底座是绕线机其它各部件的支承部件，使绕线机主机各零部件组成一体；(7) 控制系统负责实现整个装备的逻辑控制，使各工序有序

5、完成规定动作。3.2 原理方案最终形成的大型变压器绕线机的原理方案是：绕线模架由安装在主轴箱的花盘和尾座顶部装设的顶尖套筒夹持定位，不允许绕线模架与夹持机构出现相对运动。主轴箱固定在底座上不可移动，而尾座箱体与底座通过平行导轨实现横向移动，以方便夹持固定各种不同长度规格的绕线模架。利用高精度滚珠丝杠副和导轨相结合的方式来实现排线动作，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运动工作台的排线机构运动，以实现绝缘导线以一定的角度在绕线模架的转动下被动恒张力排线。绕线模架夹持定位后，一方面在主轴电机的驱动下做绕自身轴线的转动，另一方面排线机构在水平方向以

6、与之相适应的速度运动，从将绝缘导线被动缠绕在绕线模架上，完成变压器螺旋线圈的绕制。大型电力变压器绕线机包括由控制部分、主机、放线机构三大部分，它的总体结构见图1-4。图1-4 大型变压器绕线机总体结构图4 大型变压器绕线机机械结构设计4.1 主轴系统主轴系统是绕线机实现绕线功能的核心部件，它的功能是为绕线主机提供旋转运动的动力，即实现绕线机的绕线动作，并且和尾顶系统共同完成绕线模架的夹持。所以它的设计直接决定了整台设备的功能实现以及性能，其结构的设计也会直接影响到其它功能模块的设计。绕线机主轴系统外形图如图2-6所示。图2-6 主轴系统外形图主轴系统包括主轴箱、主轴驱动系统和主轴传动系统。主轴

7、系统结构如图2-7所示。主轴箱箱体采用钢板和型钢焊接结构，一次定位加工成形，材料为Q235。主轴驱动系统包括主电机、变频器、电磁制动器组成，为绕线机的绕线动作提供原动力。传统变压器绕线机的主轴通常是采用异步交流电机来驱动，这样的驱动方式使绕线机主轴启停时振荡严重，而绕线机主轴又需要频繁启停，导致绕制的线圈紧密性差，松紧程度不同，不仅影响线圈匝数的计数，更严重的后果是会导致变压器三相电的平衡性能差。本设计绕线机的卷绕主轴电机采用变频器进行驱动，这样的驱动方式能增加电机启停时的稳定性，这样能大大的提高线圈绕制的精确度。主轴传动系统由行星齿轮减速机和大小齿轮组成，外接花盘，花盘将与线轴相连接实现绕线

8、过程。电机输出端通过联轴器与行星齿轮减速器连接，经行星齿轮减速机变速后，输出端通过平键直接与小齿轮连接，将动力传递到与之配合的大齿轮，再通过大齿轮将扭矩传递给花盘，实现绕线机的无级调速、平稳起停。图2-7 主轴系统结构图4.2 尾顶系统尾顶系统是可以水平移动的机构，安装在平行导轨上和安装在主轴箱上的花盘共同实现对不同长度绕线模架的夹持。它由尾座箱体、尾座移动系统和顶尖套筒组成。尾顶系统外形如图2-9所示。图2-9 尾顶系统外形图尾座箱体采用钢板和型钢焊接结构，一次定位加工成形，材料为Q235。电机为尾座的移动提供动力，电机输出端通过联轴器连接有二级蜗轮蜗杆减速器，经蜗轮蜗杆减速器减速后再采用齿

9、轮、齿条传动将电机的旋转运动转换为直线运动，和尾座箱体相接处的底座上端安装有两段直线导轨，可以使尾座沿导轨水平横向移动，齿条安装固定在两直线导轨之间底座上，当电机提供的原动力经二级蜗轮蜗杆减速器、齿轮传递到齿条时就能实现尾座位置的调整，从而满足不同长度的绕线模架的安装使用。底座有工字板做成，上端做成阶梯状，每段底板下端预留三个孔，就相当于梯形槽，尾座调整到位后，可通过尾座底部预留的孔用螺栓与底座固定。尾座移动系统见图2-10。图2-10 尾座移动系统尾座箱体顶部装有顶尖套筒如图2-11所示，可手动调整伸出、缩回，方便绕线模架的装卸。顶尖套筒采用夹套式结构固定套筒，此结构夹紧力大、安全可靠。顶尖

10、选用重型回转顶尖，这种形式的顶尖具有回转精度高、承载能力强的优点。图2-11 顶尖套筒4.3 底座变压器绕线机的底座采用钢板、型钢焊接结构，并去除内应力，整体一次精加工完成，保证了主轴与尾座顶尖同心，同时方便设备的安装，其结构如图2-12。图2-12 底座4.4 压紧装置 为了更加准确地控制大型线圈的绕制质量，大型变压器绕线机设计有压紧装置，该压紧装置能在绕线时提供轴向和径向稳定可调的压紧力。轴径向压紧装置由龙门式横梁和压紧头组成，安装在主轴箱体和尾座箱体上，其结构如图2-13所示。它采用与主轴同心摆臂式结构，保证了压紧头与绕线模轴线的相对位置，与其他结构相比占用空间小、使用调整方便、安装时无

11、需单独制作基础，摆臂前后旋转由液压系统驱动。图2-11 轴辐向压紧装置(1) 轴向压紧压紧头的轴向移动由伺服电机提供原始动力，输出端接精密行星齿轮减速器，经行星齿轮减速器降速后将动力传递给输出端安装的齿轮，再传递到安装在直角支板上的齿条，将旋转运动转变为直线运动，其原理图见图2-12。齿条安装在支板的下端直角边，支板的另一端直角边也压紧装置的幅向部分一级导轨相连接，由此带动压紧部分在横梁移动，精确控制和调节轴向压紧力的大小。图2-12 轴向压紧动力供应原理图(2) 辐向压紧辐向压紧部分依靠U型槽作为传递动力的基本支架。制动电机输出端接接减速机，经减速机减速后将动力传递给滚珠丝杠，丝杠固定在压紧

12、部分的第一级U型槽的上端，第一级U型槽内安装有两条直线导轨，滚珠部分连接第二级U型槽，制动电机将动力传递到丝杠使其做旋转运动，丝杠与滚珠的接触将旋转运动变为沿双导轨方向的直线运动，见图2-13。由此，第二级U型槽和滚珠一起沿一级导轨做直线运动。气缸固定在第二级U型槽内上端，第二级U型槽内安装有一条直线导轨，气缸的运动带动与压紧头相连的矩形块在单导轨上做直线运动，由此来控制压紧头的运动，调节径向压紧力的大小。与此同时，第二级U型槽内安装有一个导轨钳制器，其作用是当线圈绕制过程中只需要轴向压紧，而不需要径向压紧的时候，钳制器能够将径向压紧部分的第三级矩形块抱死，从而停止气缸带动的压紧头径向的移动，

13、使压紧头只进行轴向压紧操作。图2-13 轴向压紧动力供应原理图参考文献1 陈玉国,张伟光,段玉柱,等.变压器技术发展趋势对制造设备要求的研究脚设计与制造, 2004,(3):32-342 宣传金,张金国,王兴武.关于老式绕线机功能缺点的分析及改造设计J.防爆电机,2002,(2):35-36.3 Mahawan B, Luo Zhenghua. High-speed High-precision Tracking Control for Electronically Controlled Winding MachinesJ. Control Engineering Practice，2001， 9(05):63-5714 易晋湘.日产绕线机系统及其故障分析J.微特电机,1993,(3):41-42.5 袁 先 伦 , 刘 会 兵 , 刘 成 超 , 等 . 微 细 丝 绕 线 机 的 研 制 J. 现 代 制 造 技