1、變壓器繞線機設計曹雅欣摘要：本文對變壓器線圈繞制工藝要求及電力變壓器繞線機功能的分析，對大型變壓器臥式自動繞線機整機系統進行了設計。本繞線機總體結構合理，技術性能先進，具有主軸扭矩大、運行平穩、適用范圍廣、壓緊力恒定、繞線匝數準確、操作簡便、顯示直觀等優點，是一臺包含控制系統、伺服系統和機械在內的機電一體化的變壓器大型線圈繞線專用設備。關鍵字：大型繞線機；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，精密排線系統以和主軸旋轉相一致的速度做往復直線運動，將絕緣導線緊密纏繞在繞線模架上。圖2-1 絕緣導線運動規律絕緣導線的運動規律見

2、圖2-1，絕緣導線運動為螺旋線形式，由幾何關系和速度分析可知hnvh=lkv（1-1）式中 vh ¾¾ 導線速度(排線導針的移動速度)； 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，想要使絕緣導線均勻緊密排列，那么hn值應保持恒定，lkv為繞線主軸旋轉一圈所用的時間，在穩定繞制（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，線匝間無交叉現象和中間凸出或內凹現象，每個線圈外形一致。此外，還有和線圈使用性能密切相關的各項物理指標，如匝數、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，線圈的質量取決于繞線機的性能。目前國產繞線設備的性能與進口繞線設備相比，在產品性能和生產效率等許多方面還有較大的差距，其原因包括結構材料的選用、機械加工工藝及制造精度、控制原理和方法、電機質量性能等。3

4、 變壓器繞線機原理方案設計3.1 功能分析根據線圈繞制工藝流程和加工工藝的要求，對繞線機的功能進行分析以確定繞線機的機構組成。各功能如下：(1) 主軸系統主要實現繞制時繞線模架的旋轉即繞線動作；(2) 尾頂系統和主軸配合實現繞線時繞線模架的夾持固定；(3) 排線機構主要負責絕緣導線沿繞線模架軸向均勻排列；(4) 放線機構主要用于實現導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線提供穩定的張緊力；(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) 底座是繞線機其它各部件的支承部件，使繞線機主機各零部件組成一體；(7) 控制系統負責實現整個裝備的邏輯控制，使各工序有序

5、完成規定動作。3.2 原理方案最終形成的大型變壓器繞線機的原理方案是：繞線模架由安裝在主軸箱的花盤和尾座頂部裝設的頂尖套筒夾持定位，不允許繞線模架與夾持機構出現相對運動。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軌實現橫向移動，以方便夾持固定各種不同長度規格的繞線模架。利用高精度滾珠絲杠副和導軌相結合的方式來實現排線動作，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運動工作臺的排線機構運動，以實現絕緣導線以一定的角度在繞線模架的轉動下被動恒張力排線。繞線模架夾持定位后，一方面在主軸電機的驅動下做繞自身軸線的轉動，另一方面排線機構在水平方向以

6、與之相適應的速度運動，從將絕緣導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包括由控制部分、主機、放線機構三大部分，它的總體結構見圖1-4。圖1-4 大型變壓器繞線機總體結構圖4 大型變壓器繞線機機械結構設計4.1 主軸系統主軸系統是繞線機實現繞線功能的核心部件，它的功能是為繞線主機提供旋轉運動的動力，即實現繞線機的繞線動作，并且和尾頂系統共同完成繞線模架的夾持。所以它的設計直接決定了整臺設備的功能實現以及性能，其結構的設計也會直接影響到其它功能模塊的設計。繞線機主軸系統外形圖如圖2-6所示。圖2-6 主軸系統外形圖主軸系統包括主軸箱、主軸驅動系統和主軸傳動系統。主軸

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

8、過程。電機輸出端通過聯軸器與行星齒輪減速器連接，經行星齒輪減速機變速后，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，實現繞線機的無級調速、平穩起停。圖2-7 主軸系統結構圖4.2 尾頂系統尾頂系統是可以水平移動的機構，安裝在平行導軌上和安裝在主軸箱上的花盤共同實現對不同長度繞線模架的夾持。它由尾座箱體、尾座移動系統和頂尖套筒組成。尾頂系統外形如圖2-9所示。圖2-9 尾頂系統外形圖尾座箱體采用鋼板和型鋼焊接結構，一次定位加工成形，材料為Q235。電機為尾座的移動提供動力，電機輸出端通過聯軸器連接有二級蝸輪蝸桿減速器，經蝸輪蝸桿減速器減速后再采用齒

9、輪、齒條傳動將電機的旋轉運動轉換為直線運動，和尾座箱體相接處的底座上端安裝有兩段直線導軌，可以使尾座沿導軌水平橫向移動，齒條安裝固定在兩直線導軌之間底座上，當電機提供的原動力經二級蝸輪蝸桿減速器、齒輪傳遞到齒條時就能實現尾座位置的調整，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，每段底板下端預留三個孔，就相當于梯形槽，尾座調整到位后，可通過尾座底部預留的孔用螺栓與底座固定。尾座移動系統見圖2-10。圖2-10 尾座移動系統尾座箱體頂部裝有頂尖套筒如圖2-11所示，可手動調整伸出、縮回，方便繞線模架的裝卸。頂尖套筒采用夾套式結構固定套筒，此結構夾緊力大、安全可靠。頂尖

10、選用重型回轉頂尖，這種形式的頂尖具有回轉精度高、承載能力強的優點。圖2-11 頂尖套筒4.3 底座變壓器繞線機的底座采用鋼板、型鋼焊接結構，并去除內應力，整體一次精加工完成，保證了主軸與尾座頂尖同心，同時方便設備的安裝，其結構如圖2-12。圖2-12 底座4.4 壓緊裝置 為了更加準確地控制大型線圈的繞制質量，大型變壓器繞線機設計有壓緊裝置，該壓緊裝置能在繞線時提供軸向和徑向穩定可調的壓緊力。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，其結構如圖2-13所示。它采用與主軸同心擺臂式結構，保證了壓緊頭與繞線模軸線的相對位置，與其他結構相比占用空間小、使用調整方便、安裝時無

11、需單獨制作基礎，擺臂前后旋轉由液壓系統驅動。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提供原始動力，輸出端接精密行星齒輪減速器，經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，將旋轉運動轉變為直線運動，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軌相連接，由此帶動壓緊部分在橫梁移動，精確控制和調節軸向壓緊力的大小。圖2-12 軸向壓緊動力供應原理圖(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。制動電機輸出端接接減速機，經減速機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型槽內安裝有兩條直線導軌，滾珠部分連接第二級U型槽，制動電機將動力傳遞到絲杠使其做旋轉運動，絲杠與滾珠的接觸將旋轉運動變為沿雙導軌方向的直線運動，見圖2-13。由此，第二級U型槽和滾珠一起沿一級導軌做直線運動。氣缸固定在第二級U型槽內上端，第二級U型槽內安裝有一條直線導軌，氣缸的運動帶動與壓緊頭相連的矩形塊在單導軌上做直線運動，由此來控制壓緊頭的運動，調節徑向壓緊力的大小。與此同時，第二級U型槽內安裝有一個導軌鉗制器，其作用是當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，鉗制器能夠將徑向壓緊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、使壓緊頭只進行軸向壓緊操作。圖2-13 軸向壓緊動力供應原理圖參考文獻1 陳玉國,張偉光,段玉柱,等.變壓器技術發展趨勢對制造設備要求的研究腳設計與制造, 2004,(3):32-342 宣傳金,張金國,王興武.關于老式繞線機功能缺點的分析及改造設計J.防爆電機,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.日產繞線機系統及其故障分析J.微特電機,1993,(3):41-42.5 袁 先 倫 , 劉 會 兵 , 劉 成 超 , 等 . 微 細 絲 繞 線 機 的 研 制 J. 現 代 制 造 技