韩博　马波

摘要：目的：针对变压器线圈端部和线饼之间放置的成型小角环，在成型的过程中，纸板经过热压定型，折弯过程中波纹状瓦楞纸板随着折弯进程，波纹变形严重，热压定型失效。方法：应用TRIZ理论，使用功能分析和剪裁、因果链分析等工具系统的分析了造成问题的原因。结论：应用技术矛盾、物理矛盾、物场模型和标准解等工具提出了多项具有可行性的解决方案，达到了解决问题目标的要求。

Abstract： Objective： Small angle ring placed between the end of the transformer coil and the thread cake， in the molding process， cardboard through hot pressing， corrugated cardboard during the bending process is severely corrugated with the bending process， and the hot pressing is failure. Methods： TRIZ theory， functional analysis and tailoring， causal chain analysis， and other tools were used to systematically analyze the causes of the problem. Conclusion： with the technical contradiction， the physical contradiction， the field model and the standard solution， a number of feasible solutions are put forward to meet the requirement of solving the problem.

关键词：变压器；小角环；波纹变形；TRIZ

Key words： transformer；small angle ring；ripple deformation；TRIZ

中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0232-04

0 引言

近年来，随着变压器的容量和电压等级的升高，为改善电场分布、油流分布，加强线圈绝缘强度，防止沿主绝缘边缘和线饼间爬电，经常在线圈端部和线饼之间放置成型小角环，成型小角环大都采用湿纸浆坯模压制而成，制造工艺繁琐[1]。随着技术发展，小角环采用绝缘纸板[2]，经过剪切下成条料，浸湿后经模具热压而成。使用时，进行人工折弯，用数个小角环彼此搭接组成整只角环[3]。其满足了不降低应有绝缘强度的前提下，尽可能的减小了端部的绝缘距离，降低了制造成本。

在线圈绕制过程中为了增加局部导线的绝缘厚度，增设小角环是非常必要的，尤其是高电压等级的绕组初始段，能达到降低该处电场强度，提高绝缘可靠性，增加油流散热面积，减小局部温升。小角环原材料选用T4绝缘纸板，保证纤维素的长度，成型后抗拉、抗弯强度较好。压制、折弯工序为小角环制作的关键工序，决定着小角环的稳定性。采用蒸馏水对绝缘纸板进行加湿，提高纸板塑性。通过瓦楞压制机构进行波纹热压定型，然后进行折弯预处理及折弯过程。这是目前行业内传统的制造方法，但就其折弯过程中波纹的变形的问题，一直没有得到重视，波纹变形改变了局部油流分布，增加了局部温升，加速了绝缘老化，使变压器运行存在安全隐患。

本项目的研究目标就是要在不增加加工成本的基础上，保证性能指标不降低的条件下，大幅度的提高小角环的稳定性，使小角环波纹的角度和形状呈标准状态，从而提高绝缘水平和油流散熱的目的。

1 TRIZ 理论简介

TRIZ理论是由前苏联发明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的团队通过研究分析全世界近250万份专利和创新案例的基础上[4]，总结、归纳出的一套系统化、流程化的创新问题解决方法[5]。TRIZ理论成功地归纳总结出了发明创造的原理和内在规律，为揭示和解决系统中的矛盾提供了一套切实可行的理论方法[6]。其解决问题的思路为将实际问题转化为标准问题模型，由标准问题模型得到解决方案模型，最后由解决方案模型演成为最终的解决方案[7]。TRIZ理论的应用非常广泛，主要应用在产品设计、功能设计、工艺设计、专利规避等领域[8]。

2 问题描述

系统的工作原理为：将纸板通过挤压、热定型形成波纹状瓦楞纸板，由折弯设备进行瓦楞折弯而实现小角环成型。存在的主要问题是纸板经过热压定型，折弯过程中波纹状瓦楞纸板随着折弯进程，波纹变形严重，热压定型失效。解决问题的限制条件是：①原材料绝缘强度不低于T4绝缘纸板；②技术系统复杂性；③自动化程度；④成本增加应进行控制，不超出现有水平的10%，力求经济可行。

3 TRIZ分析

3.1 功能分析和剪裁

根据功能分析的步骤，技术系统的名称为小角环成型机，其主要功能（v+o+p）为改变+纸板+外形。通过系统组件分析，系统组件由纸板、电动机、减速器、传动齿轮、从动齿轮、转轴、限位板、托板、波纹成型轮、折弯压线轮、折弯轮、挡板等组成，超系统组件由潮湿空气组成。通过组件相关作用关系分析，得到两两组件之间是否存在相互作用关系，根据作用关系，分析组件间功能和参数，建立功能列表，最终画出功能模型图（如图3所示）[9]。

从功能模型图中可以看出，折弯轮对纸板存在有害作用，折弯压线轮对纸板存在有害作用，波纹成型轮对纸板的挤压不足，有水分的空气存在软化纸板的有害作用。通过实验发现带水分的空气只要空气湿度在60%以下对纸板的软化程度可以忽略不计。因此在后续解决问题的过程中，重点解决其余三个问题。针对折弯压线轮存在挤压纸板的有害作用，采用裁剪工具进行裁剪，如果裁剪掉折弯压线轮，那么就没有挤压纸板有害功能，同时也没有转轴带动折弯压线轮。但是产生新的问题为，剪裁掉压线轮，如何实现压线的功能。

提出解决方案1：裁剪压线轮，将压线轮的压线功能在波纹成型轮上实现（如图4所示）。

在上述裁剪的基础上，可以执行剧烈裁剪，如果剪裁波纹成型轮，那么成型轮对纸板的挤压作用不足将不存在，如果剪裁折弯轮，那么折弯轮对纸板的形状改变就不存在。根据剪裁规则A，如果折弯压线轮、波纹成型轮、折弯轮被剪裁，那么带动功能可以被剪裁，功能载体转轴可以被裁剪。根据剪裁规则A，如果转轴被裁剪，那么功能载体从动齿轮可以被裁剪。同理，根据剪裁规则A，可以将传动齿轮、减速器、电动机全部裁剪。而挡板、限位板、托板固定在机身中，随即也可全部裁剪，带来的新问题为，如何使纸板实现折弯功能，或采用新的原理实现。

提出解决方案2：采用成型毛细管和多孔结构的物质，替代原有纸板。

3.2 因果链分析

根据因果链分析的步骤，首先确定目标问题，并分层分析造成目标问题的原因，最终确定造成问题出现的根本原因和关键原因[10]。在本项目分析的过程中，选择波纹幅度不充分和压线宽度过度两个目标问题进行分析，得到两个因果链分析图（如图6、图7所示）。

通过因果链分析，结合实际工程状况，确定折弯轮压线过度造成波纹变形和波纹无支撑为关键原因。提出解决方案3：调整压线及波纹成型顺序，先压线后实施波纹成型，消除压线对波纹变形的影响。

3.3 资源分析

物质资源：纸板、电动机、减速器、传动齿轮、从动齿轮，转轴、限位板、托板、波纹成型轮、折弯压线轮、折弯轮、挡板。

能量资源：电动机械力。

信息资源：热压温度、纸板外形尺寸、齿轮转速。

空间资源：成型轮间的空间，纸板折弯空间。

时间资源：折弯轮、成型轮转动之前的时间，成型轮转动热压定型的时间。

功能资源：成型轮可以加装压线装置。

3.4 技术矛盾

技术矛盾1。TC1：如果增加压紧弹簧，那么转轴不会弯曲，波纹成型轮组间间隙稳定，波纹成型效果好，但是降低了制造精度[11]。

TC2：如果不增加压紧弹簧，那么制造精度不会降低，但是转轴就会弯曲，波纹成型轮组间间隙增大，波纹成型效果差。

改善的参数：波纹的力。恶化的参数：波纹的制造精度。

得到发明原理为28号机械系统代替原理、29号气压和液压结构原理、37号热膨胀原理、36号相变原理。根据气压和液压结构原理，提出解决方案4：改变波纹成型轮为平板成型模具，竖直方向施加压紧力，使纸板挤压成型（如图8所示）。

根据热膨胀原理，提出解决方案5：利用两种不同热膨胀系数的材料，组合成为施压单元，对纸板进行挤压和热定型（如图9所示）。

技术矛盾2。TC1：如果增加支撑模具，那么折弯压线轮挤压波峰正常，波峰压线压力合理，但是降低了波谷的压强。

TC2：如果不增加支撑模具，那么增加了波谷的压强，但是折弯压线轮挤压波峰过度，波峰压线压力过度。

改善的参数：波峰的支撑力。恶化的参数：波谷的应力、压强。

查询发明原理，得到18号机械振动原理、21号减少有害作用原理、11号事先防范原理。根据机械振动原理，提出解决方案6：改变折弯压线方式，采用针式点线，在纸板上形成折弯线。

根据减少有害作用原理，提出解决方案7：提高压线进料速度与压线轮转速，减小压力作用时间，降低波纹变形。

技术矛盾3。TC1：如果增加可调节装置，那么折弯压线轮挤压波峰正常，波峰压线压力合理，但是降低了压线稳定性。

TC2：如果不增加可调节装置，那么提高了压线稳定性，但是折弯压线轮挤压波峰过度，波峰压线压力过度。

改善的参数：折弯压线轮的适应性、通用性。恶化的参数：折弯压线轮的稳定性。

应用矛盾矩阵，得到发明原理35号物理和化学参数改变原理、30号柔性壳体和薄膜原理、14号曲面化原理。

根据物理和化学参数改变原理，提出解决方案8：折弯压线轮采用柔性连接，更换压线轮钢架支撑，使用弹簧连接，实现折弯压线轮随波纹起伏而变化。

根据曲面化原理，提出解决方案9：折弯压线轮采用曲面化处理，曲面按照波纹起伏进行形状设计，使纸板受压均匀。

3.5 物理矛盾

关键问题：因转轴受力不均匀，导致转轴弯曲折弯，波纹成型轮组间啮合不充分，挤压、定型不足，波纹成型效果差。物理矛盾：为了保证波纹成型效果，需要增加压紧力；为了转轴不弯曲，需要降低压紧力。采用空间分离，利用分割原理提出解决方案13：改变波纹成型轮结构，将波纹成型轮挤压纸板的区域采用刚性材料，波纹成型轮与转轴接触区域采用柔性材料连接。利用借助中介物原理提出解决方案14：转轴与波纹成型轮之间不直接接触，增设柔性齿轮柱，由转轴带动柔性齿轮柱，齿轮柱转动波纹成型轮，转轴不承受波纹成型轮承压后的反向作用力。

3.6 物场分析与标准解

针对折弯压线轮（S2）对纸板波纹（S1）挤压过度的问题建立物场模型，利用标准解1.2.1在系统的两个物质之间引入外部现成的物质，提出解决方案13：在系统中引入能使折弯线成型的物质，利用它承受折弯压线轮的压力，然后让它作用于纸板，来减弱弯压线轮对纸板波纹造成的变形。在系统中，完成波峰压线的间隙完成波谷压线。利用标准解1.2.1，在纸板与折弯压线轮间引入折弯线成型装置，通过周期性渐变压线齿对纸板进行压线，实现均匀受力的压线，降低纸板波纹变形。

根据标准解1.2.3排出有害作用，提出解决方案16：将折弯压线轮设计为波峰压线轮与波谷压线轮，在完成波峰压线的同时实施波谷压线，并让两个压线轮呈周期性上下交替變化，实现压线的同时降低纸板波纹变形。

4 方案整理评价与实施

4.1 方案整理与评价

对16个解决方案从消除矛盾、系统复杂、产生新的危害、成本、可行性等多个方面进行综合综合评价中。最优方案1为采用成型毛细管和多孔结构的物质替代纸板，最优方案2为曲面化折弯轮设计，但最优方案1对系统改进较大，从产品的生命周期角度考虑，仍然采用该方案进行实施。

4.2 方案验证与实施

采用柔性多孔玻璃纤维绝缘板后，线圈局部温升、绝缘水平及抗短路能力得到了有效的提升。

目前行业内普遍存在小角环折弯后的波纹变形问题，多数厂家采用提高成本采用新材料、新结构替换小角环，这个过程及加大了原材料的浪费和能源消耗。柔性多孔玻璃纤维绝缘板的使用，能够降低小角环不合格浪费和变压器线圈局部受热造成的事故支出，每年为公司节约成本￥25万元/年。柔性多孔玻璃纤维绝缘板的使用，提高了变压器绝缘工艺水平，使用方便，质量可靠，节省生产成本￥5万元/年。在此研究的基础上，可以进一步开展线圈饼间绝缘的结构研究，以提升线圈饼间绝缘的绝缘强度和散热能力。

参考文献：

[1]赵静月.变压器制造工艺[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]刘桂德，张碧宁，周文彬.变压器用绝缘角环的生产工艺[J].华东纸业，2013，44（02）：33-36.

[3]贾建军，曹辉.绝缘纸板热压成形机技术改造[J].液压与气动，2002（02）：32-33.

[4]唐佳，徐婷，胡友旺.TRIZ理论在半导体激光器耦合封装中的应用[J].包装工程，2017，38（13）：128-132.

[5]陈少克，李锦涛，谢晓扬，孔令立，郭志恒，陈志稳.基于QFD与TRIZ的多种类混合装箱包装机设计[J].包装工程，2017，38（09）：168-172.

[6]周智，吴翔.TRIZ理论在文胸清洗球创新设计中的应用[J].包装工程，2017，38（04）：181-183.

[7]崔憧遥，张简一，杜强，马洪明，何相梓.TRIZ理论的40个发明原理在儿童家具设计中的应用[J].包装工程，2017，38（02）：175-179.

[8]张士强.基于TRIZ理论的成垛浆粕上料機设计[J].包装工程，2016，37（23）：135-139.

[9]韩博.关于运用TRIZ解决问题时选择项目的若干思考[J].科技创新与品牌，2015（8）：69-70.

[10]韩博.现代TRIZ理论中因果链分析应用研究[J].科技创新与品牌，2016（3）：47-49.

[11]韩博.TRIZ理论中技术矛盾的应用研究[J].科技创新与品牌，2014（8）：61-64.