變壓器繞線機(jī)設(shè)計

1、變壓器繞線機(jī)設(shè)計曹雅欣摘要：本文對變壓器線圈繞制工藝要求及電力變壓器繞線機(jī)功能的分析，對大型變壓器臥式自動繞線機(jī)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。本繞線機(jī)總體結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)性能先進(jìn)，具有主軸扭矩大、運行平穩(wěn)、適用范圍廣、壓緊力恒定、繞線匝數(shù)準(zhǔn)確、操作簡便、顯示直觀等優(yōu)點，是一臺包含控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)械在內(nèi)的機(jī)電一體化的變壓器大型線圈繞線專用設(shè)備。關(guān)鍵字：大型繞線機(jī)；變壓器繞組線圈；1 線圈繞制的基本原理繞制線圈之前，繞線模架固定在主軸和尾座之間，繞制時，主軸帶動繞線模架旋轉(zhuǎn)，精密排線系統(tǒng)以和主軸旋轉(zhuǎn)相一致的速度做往復(fù)直線運動，將絕緣導(dǎo)線緊密纏繞在繞線模架上。圖2-1 絕緣導(dǎo)線運動規(guī)律絕緣導(dǎo)線的運動規(guī)律見

2、圖2-1，絕緣導(dǎo)線運動為螺旋線形式，由幾何關(guān)系和速度分析可知hnvh=lkv（1-1）式中 vh ¾¾ 導(dǎo)線速度(排線導(dǎo)針的移動速度)； hn ¾¾ 匝間的法向螺距v ¾¾ 卷繞線速度(單位時間內(nèi)的繞線長度度)； lk ¾¾ 電磁線卷繞一周的長度。公式（2-1）表明，在線圈繞制中，想要使絕緣導(dǎo)線均勻緊密排列，那么hn值應(yīng)保持恒定，lkv為繞線主軸旋轉(zhuǎn)一圈所用的時間，在穩(wěn)定繞制（除啟動和停止階段，此階段占繞線總時間的比例較小，對排線精度影響有限）過程中，繞線主軸轉(zhuǎn)速n不變，即lkv保持不變。2 線圈繞制工藝要求繞組線

3、圈的質(zhì)量要求主要包括：外形美觀，線匝之間能夠排列均勻整齊緊密，既無縫隙也無重疊即排列，線匝間無交叉現(xiàn)象和中間凸出或內(nèi)凹現(xiàn)象，每個線圈外形一致。此外，還有和線圈使用性能密切相關(guān)的各項物理指標(biāo)，如匝數(shù)、阻抗和感抗、絕緣強度、溫度變化等。圖1-2是大型變壓器線圈繞制工藝流程圖。圖1-2 變壓器繞組繞制工藝流程常見的變壓器單螺旋線圈見圖1-3。圖1-3 變壓器單螺旋繞組由變壓器線圈卷繞工藝流程可以看出，線圈的質(zhì)量取決于繞線機(jī)的性能。目前國產(chǎn)繞線設(shè)備的性能與進(jìn)口繞線設(shè)備相比，在產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率等許多方面還有較大的差距，其原因包括結(jié)構(gòu)材料的選用、機(jī)械加工工藝及制造精度、控制原理和方法、電機(jī)質(zhì)量性能等。3

4、 變壓器繞線機(jī)原理方案設(shè)計3.1 功能分析根據(jù)線圈繞制工藝流程和加工工藝的要求，對繞線機(jī)的功能進(jìn)行分析以確定繞線機(jī)的機(jī)構(gòu)組成。各功能如下：(1) 主軸系統(tǒng)主要實現(xiàn)繞制時繞線模架的旋轉(zhuǎn)即繞線動作；(2) 尾頂系統(tǒng)和主軸配合實現(xiàn)繞線時繞線模架的夾持固定；(3) 排線機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)絕緣導(dǎo)線沿繞線模架軸向均勻排列；(4) 放線機(jī)構(gòu)主要用于實現(xiàn)導(dǎo)線線盤的放置以及送線、倒線功能，并且要有張力控制裝置為導(dǎo)線提供穩(wěn)定的張緊力；(5) 壓緊裝置用于提供繞線時施加對線圈軸向、徑向的壓緊力；(6) 底座是繞線機(jī)其它各部件的支承部件，使繞線機(jī)主機(jī)各零部件組成一體；(7) 控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)整個裝備的邏輯控制，使各工序有序

5、完成規(guī)定動作。3.2 原理方案最終形成的大型變壓器繞線機(jī)的原理方案是：繞線模架由安裝在主軸箱的花盤和尾座頂部裝設(shè)的頂尖套筒夾持定位，不允許繞線模架與夾持機(jī)構(gòu)出現(xiàn)相對運動。主軸箱固定在底座上不可移動，而尾座箱體與底座通過平行導(dǎo)軌實現(xiàn)橫向移動，以方便夾持固定各種不同長度規(guī)格的繞線模架。利用高精度滾珠絲杠副和導(dǎo)軌相結(jié)合的方式來實現(xiàn)排線動作，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠將電機(jī)的圓周運動轉(zhuǎn)換為水平工作臺的橫向移動，從而驅(qū)動安裝在水平運動工作臺的排線機(jī)構(gòu)運動，以實現(xiàn)絕緣導(dǎo)線以一定的角度在繞線模架的轉(zhuǎn)動下被動恒張力排線。繞線模架夾持定位后，一方面在主軸電機(jī)的驅(qū)動下做繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，另一方面排線機(jī)構(gòu)在水平方向以

6、與之相適應(yīng)的速度運動，從將絕緣導(dǎo)線被動纏繞在繞線模架上，完成變壓器螺旋線圈的繞制。大型電力變壓器繞線機(jī)包括由控制部分、主機(jī)、放線機(jī)構(gòu)三大部分，它的總體結(jié)構(gòu)見圖1-4。圖1-4 大型變壓器繞線機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖4 大型變壓器繞線機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 主軸系統(tǒng)主軸系統(tǒng)是繞線機(jī)實現(xiàn)繞線功能的核心部件，它的功能是為繞線主機(jī)提供旋轉(zhuǎn)運動的動力，即實現(xiàn)繞線機(jī)的繞線動作，并且和尾頂系統(tǒng)共同完成繞線模架的夾持。所以它的設(shè)計直接決定了整臺設(shè)備的功能實現(xiàn)以及性能，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計也會直接影響到其它功能模塊的設(shè)計。繞線機(jī)主軸系統(tǒng)外形圖如圖2-6所示。圖2-6 主軸系統(tǒng)外形圖主軸系統(tǒng)包括主軸箱、主軸驅(qū)動系統(tǒng)和主軸傳動系統(tǒng)。主軸

7、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。主軸箱箱體采用鋼板和型鋼焊接結(jié)構(gòu)，一次定位加工成形，材料為Q235。主軸驅(qū)動系統(tǒng)包括主電機(jī)、變頻器、電磁制動器組成，為繞線機(jī)的繞線動作提供原動力。傳統(tǒng)變壓器繞線機(jī)的主軸通常是采用異步交流電機(jī)來驅(qū)動，這樣的驅(qū)動方式使繞線機(jī)主軸啟停時振蕩嚴(yán)重，而繞線機(jī)主軸又需要頻繁啟停，導(dǎo)致繞制的線圈緊密性差，松緊程度不同，不僅影響線圈匝數(shù)的計數(shù)，更嚴(yán)重的后果是會導(dǎo)致變壓器三相電的平衡性能差。本設(shè)計繞線機(jī)的卷繞主軸電機(jī)采用變頻器進(jìn)行驅(qū)動，這樣的驅(qū)動方式能增加電機(jī)啟停時的穩(wěn)定性，這樣能大大的提高線圈繞制的精確度。主軸傳動系統(tǒng)由行星齒輪減速機(jī)和大小齒輪組成，外接花盤，花盤將與線軸相連接實現(xiàn)繞線

8、過程。電機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器與行星齒輪減速器連接，經(jīng)行星齒輪減速機(jī)變速后，輸出端通過平鍵直接與小齒輪連接，將動力傳遞到與之配合的大齒輪，再通過大齒輪將扭矩傳遞給花盤，實現(xiàn)繞線機(jī)的無級調(diào)速、平穩(wěn)起停。圖2-7 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2 尾頂系統(tǒng)尾頂系統(tǒng)是可以水平移動的機(jī)構(gòu)，安裝在平行導(dǎo)軌上和安裝在主軸箱上的花盤共同實現(xiàn)對不同長度繞線模架的夾持。它由尾座箱體、尾座移動系統(tǒng)和頂尖套筒組成。尾頂系統(tǒng)外形如圖2-9所示。圖2-9 尾頂系統(tǒng)外形圖尾座箱體采用鋼板和型鋼焊接結(jié)構(gòu)，一次定位加工成形，材料為Q235。電機(jī)為尾座的移動提供動力，電機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器連接有二級蝸輪蝸桿減速器，經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速后再采用齒

9、輪、齒條傳動將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，和尾座箱體相接處的底座上端安裝有兩段直線導(dǎo)軌，可以使尾座沿導(dǎo)軌水平橫向移動，齒條安裝固定在兩直線導(dǎo)軌之間底座上，當(dāng)電機(jī)提供的原動力經(jīng)二級蝸輪蝸桿減速器、齒輪傳遞到齒條時就能實現(xiàn)尾座位置的調(diào)整，從而滿足不同長度的繞線模架的安裝使用。底座有工字板做成，上端做成階梯狀，每段底板下端預(yù)留三個孔，就相當(dāng)于梯形槽，尾座調(diào)整到位后，可通過尾座底部預(yù)留的孔用螺栓與底座固定。尾座移動系統(tǒng)見圖2-10。圖2-10 尾座移動系統(tǒng)尾座箱體頂部裝有頂尖套筒如圖2-11所示，可手動調(diào)整伸出、縮回，方便繞線模架的裝卸。頂尖套筒采用夾套式結(jié)構(gòu)固定套筒，此結(jié)構(gòu)夾緊力大、安全可靠。頂尖

10、選用重型回轉(zhuǎn)頂尖，這種形式的頂尖具有回轉(zhuǎn)精度高、承載能力強的優(yōu)點。圖2-11 頂尖套筒4.3 底座變壓器繞線機(jī)的底座采用鋼板、型鋼焊接結(jié)構(gòu)，并去除內(nèi)應(yīng)力，整體一次精加工完成，保證了主軸與尾座頂尖同心，同時方便設(shè)備的安裝，其結(jié)構(gòu)如圖2-12。圖2-12 底座4.4 壓緊裝置 為了更加準(zhǔn)確地控制大型線圈的繞制質(zhì)量，大型變壓器繞線機(jī)設(shè)計有壓緊裝置，該壓緊裝置能在繞線時提供軸向和徑向穩(wěn)定可調(diào)的壓緊力。軸徑向壓緊裝置由龍門式橫梁和壓緊頭組成，安裝在主軸箱體和尾座箱體上，其結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。它采用與主軸同心擺臂式結(jié)構(gòu)，保證了壓緊頭與繞線模軸線的相對位置，與其他結(jié)構(gòu)相比占用空間小、使用調(diào)整方便、安裝時無

11、需單獨制作基礎(chǔ)，擺臂前后旋轉(zhuǎn)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動。圖2-11 軸輻向壓緊裝置(1) 軸向壓緊壓緊頭的軸向移動由伺服電機(jī)提供原始動力，輸出端接精密行星齒輪減速器，經(jīng)行星齒輪減速器降速后將動力傳遞給輸出端安裝的齒輪，再傳遞到安裝在直角支板上的齒條，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，其原理圖見圖2-12。齒條安裝在支板的下端直角邊，支板的另一端直角邊也壓緊裝置的幅向部分一級導(dǎo)軌相連接，由此帶動壓緊部分在橫梁移動，精確控制和調(diào)節(jié)軸向壓緊力的大小。圖2-12 軸向壓緊動力供應(yīng)原理圖(2) 輻向壓緊輻向壓緊部分依靠U型槽作為傳遞動力的基本支架。制動電機(jī)輸出端接接減速機(jī)，經(jīng)減速機(jī)減速后將動力傳遞給滾珠絲杠，絲杠固定在壓緊

12、部分的第一級U型槽的上端，第一級U型槽內(nèi)安裝有兩條直線導(dǎo)軌，滾珠部分連接第二級U型槽，制動電機(jī)將動力傳遞到絲杠使其做旋轉(zhuǎn)運動，絲杠與滾珠的接觸將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檠仉p導(dǎo)軌方向的直線運動，見圖2-13。由此，第二級U型槽和滾珠一起沿一級導(dǎo)軌做直線運動。氣缸固定在第二級U型槽內(nèi)上端，第二級U型槽內(nèi)安裝有一條直線導(dǎo)軌，氣缸的運動帶動與壓緊頭相連的矩形塊在單導(dǎo)軌上做直線運動，由此來控制壓緊頭的運動，調(diào)節(jié)徑向壓緊力的大小。與此同時，第二級U型槽內(nèi)安裝有一個導(dǎo)軌鉗制器，其作用是當(dāng)線圈繞制過程中只需要軸向壓緊，而不需要徑向壓緊的時候，鉗制器能夠?qū)较驂壕o部分的第三級矩形塊抱死，從而停止氣缸帶動的壓緊頭徑向的移動，

13、使壓緊頭只進(jìn)行軸向壓緊操作。圖2-13 軸向壓緊動力供應(yīng)原理圖參考文獻(xiàn)1 陳玉國,張偉光,段玉柱,等.變壓器技術(shù)發(fā)展趨勢對制造設(shè)備要求的研究腳設(shè)計與制造, 2004,(3):32-342 宣傳金,張金國,王興武.關(guān)于老式繞線機(jī)功能缺點的分析及改造設(shè)計J.防爆電機(jī),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 易晉湘.日產(chǎn)繞線機(jī)系統(tǒng)及其故障分析J.微特電機(jī),1993,(3):41-42.5 袁 先 倫 , 劉 會 兵 , 劉 成 超 , 等 . 微 細(xì) 絲 繞 線 機(jī) 的 研 制 J. 現(xiàn) 代 制 造 技