铝及铝合金在变压器及电机中的应用优化

1.铝及铝合金在变压器中的应用 在1950年以前，铝绕组已在变压器（主要是配电变压器）中应用。绕组额定功率通常小于2.5 MV·A，额定电压为3.6～36kV，作为油浸式或空冷式变压器使用。铝绕组同样可在非常小（几伏安）和较大（25～63 MV·A）额定功率变压器上应用。

目前设计的大功率变压器中，几种结构部件也是用铝制造的，包括夹线板、外壳、电磁屏蔽表面等，这样可降低附加损耗。铝线圈广泛用于干式电力变压器，并适用于磁悬浮式恒流变压器的二次感应线圈。它的使用可减轻质量，并使感应线圈浮动在电磁悬浮之上，与此密切联系的用途是，可用于制造保护变压器过载的电抗器实体装置。

铝在变压器绕组中应用的经济性是由铝、铜绕组价格比来决定的。从制造费用考虑，如果铜绕组额定功率降低后的制造费用仍比相同额定功率的铝绕组变压器高，采用铝则较经济。铜绕组最经济的电流密度为2.5～3.5A／mm²，铝绕组为1.5A／mm²。

空气冷却式变压器中，绕组占去了变压器空间的大部分，因而采用铝绕组是经济的，生产费用也少。从载荷及尺寸角度出发，最好的铝绕组材料是半硬状态的线材，其电导率为35×106S／m，断后伸长率为12％，抗拉强度为110MPa，硬度200HBW。

近年来，额定功率达4MV·A的干式或油浸式变压器已采用铝箔绕组，其优点是绕组中散热性好、抗短路电流高，改善冲击电压引起的电压分布且这种绕组制作易于自动化。

在干式变压器上，大部分高压和低压线圈是用铝带材制作的；而在油浸式变压器上仅有低压线圈是用铝带材制作的。与导电量等同的铜线圈相比，铝的优点是价格适宜质量轻、温升小；缺点是线圈间隙较大。带材线圈与线状线圈相比其优点是占有体积小、卷绕技术简单、可消除或减小轴向短路电流、导热性好，对绝缘的要求不高。使用铝带经济的原因，不仅是因为原材料便宜，重要的是大量生产的轧制半成品也比较便宜，但总体来看，用于变压器的带材还是比较少的一部分。

近年来，美国有近150万台的变压器在低压侧装有铝线圈。变压器不仅要求有大的功率，同时还要求噪声低。为实现这个要求，可将高压、低压铝带线圈浇注上树脂，制成干式变压器。另外，磁铁起重机、扬声器、电磁离合器、磁场线圈和最近用于架空索道的磁垫都装有铝带线圈，个别的也用铝圆形和扁形线圈，如用于汽车的启动器和专用变压器。

线圈对带材的技术要求主要是有高的导电性能、好的加工性能，具有能满足使用要求的尺寸公差、适当的棱边状态和表面粗糙度。考虑到线圈应具有尽可能高的导电性能和加工性能，唯一可以选用的材料是纯铝（E-Al或Al99.5）。在特殊情况下，例如厚度较小的阳极氧化带材，要使用半硬或硬状态的纯铝。这样可避免由阳极氧化形成的脆性氧化膜，因为在缠绕圈时带材产生较大变形时，氧化膜会出现裂纹。

线圈使用的带材厚度为0.2～0.4mm，宽度为20～1500mm。在大多数情况下，通过厚度计算的偏差平均值为近似的补充允许尺寸偏差，因此可以精确地计算线圈电阻并预先确定线圈间隙。带材的剪切毛刺和表面上的外来粒子可能破坏绝缘，因此必须根据带材的边缘类型、边部状态、原始剪切情况进行清理，带材进行原始剪切时要使剪切毛刺垂直于带材表面，并使其小于50μm。

线圈的电气连接是通过冷挤压焊接、气体保护焊接或在带材的端头进行压合。最常用的方法是冷挤压焊接。冷挤压焊接适用于以下材料之间的组合：Al-Al、Al-Cu和Cu-Cu。大截面的导线用熔化焊接或感应焊接。

目前，由于线圈的多样性，铝线圈所需要的带材规格很多，且所需要的每种带材数量也不多，因此用于线圈的带材质量和带材规格的标准化工作是十分重要的。(www.xing528.com)

2.铝及铝合金在电机中的应用 电机转子是电机的重要部件，转子质量对电机的三相电流平衡、功率、转速、温升、损耗、寿命等性能都有很大的影响。长期以来，我国电机行业普遍存在电机转子压铸设备水平低，造成电机转子铸铝质量不稳定、废品率高、浪费大、工作环境差、工人劳动强度大等问题。

电机用铝主要是铸造线圈和结构部件。铝结构部件，如定子底座和端罩等，可以经济地用压力铸造，电机外壳和支架则用铝合金挤压型材。铝结构部件在特定环境必须能耐蚀，例如，在天然或人造纤维纺织用的电机，以及在飞机发动机的配套电机。其他的应用有直流电机的励磁线圈、电机的定子线圈和变压器的同步电机转子，由于铝的密度为铜的1／3，因此铝绕组可大大减小转子离心力，运转中线圈承受的负载小，可减少其所占空间，留出更多的空间来安装线圈。如图7-2所示的是叶片全部使用铝合金制造的外转子风机。

电机上用的线材主要包括圆线、扁线、漆包线、玻璃纤维和其他绝缘线，目前转子线圈也已能够采用铝合金制造。 3.铝及铝合金在配电装置中的应用

世界第一台铝合金制造的六氟化硫绝缘高压配电装置于1965年在汉诺威商品交易会上展出。从那以后，这样的装置被大批生产和使用，非常适合在大城市应用。如图7-3所示的是使用六氟化硫的互感器铝合金壳体，在目前广泛使用的装置上，气压为0.4～0.6MPa。

图7-2 叶片全部使用铝 合金制造的外转子风机

图7-3 使用六氟化硫的 互感器铝合金壳体

该装置的导电体和外壳主要用纯铝和铝合金制造，有个别导线管是用铜管制造的外壳是铸造铝合金制造的。导电体主要由挤压圆管组成，圆管的外径一般要比封口管内径小，其系数e＝2.718。按此比例，可在导线表面上达到尽可能小的电磁场强度。为了避免在局部出现电磁场强度升高现象，对导体管有着较高的质量要求，如外径公差包括圆度、线性偏差、型材表面的最大表面粗糙度、封口前的表面保护和操作等。在封闭管内，用片状环氧树脂制成的支座绝缘子来固定导电体。各结构元件相互之间的电气连接方法是导电体间通过电镀铜插件连接，外壳则在凸缘上用螺栓连接。