CN101425372B - 使用斜面导磁结构转子的磁阻式单极旋转变压器 - Google Patents

Abstract

使用斜面导磁结构转子的磁阻式单极旋转变压器，它涉及一种磁阻式单极无刷旋转变压器，以解决现有用于测角的旋转变压器存在的结构较复杂、测量精度较差且不适用于极数较少的角度测量的问题。转子的轴向两端为不导磁材料，位于转子轴向中间处的导磁材料为两个平行平面切割圆套体所形成的斜短套；定子的内表面沿圆周方向开有通槽，在定子的内表面圆周上均匀设置有4N个凸齿，每相邻的N个凸齿为一组绕组齿，第一绕组和第二绕组分别间隔地缠绕在每组绕组齿的凸齿上，第一绕组和第二绕组为正交绕组，励磁绕组设置在定子的通槽中。本发明用于角度测量或角度传感器元件，可以测出被测转子的绝对零位。

Description

使用斜面导磁结构转子的磁阻式单极旋转变压器

技术领域

本发明涉及一种使用斜面导磁结构转子的磁阻式变压器。

背景技术

用于测角的传统旋转变压器，其输入输出绕组分别置于转子和定子上，为实现无刷化，需要加一个耦合变压器，这样就增加了其结构复杂的复杂度；而另一种游标式旋转变压器，两种绕组都在定子上，实现了无刷化，但是这种旋转变压器的极对数很多(一般极对数的值都大于32)，并且要采用结构复杂的正弦绕组才能够正常运行。上述两种旋转变压器在用于极对数较少的多极角度测量时，特别是在用于无刷直流电动机转子位置传感器时，都不是理想的元件。目前该领域普遍采用不等气隙磁阻式旋转变压器解决上述问题，但对于单对极的不等气隙磁阻式旋转变压器来讲，依然存在精度较差的问题，尤其是系统偏心等带来的问题较为严重。

发明内容

本发明为解决现有用于测角的旋转变压器存在的结构较复杂、测量精度较差且不适用于极数较少的角度测量的问题，提供一种使用斜面导磁结构转子的磁阻式单极旋转变压器。

使用斜面导磁结构转子的磁阻式单极旋转变压器包括定子和转子，转子与定子同心设置，转子的外表面与定子的内表面之间设有气隙，转子为环套形的转子，该转子由导磁材料和不导磁材料组成，转子的轴向两端为不导磁材料，位于转子轴向中间处的导磁材料为两个平行平面切割圆套体所形成的斜短套；本发明的变压器还包括第一绕组、第二绕组和励磁绕组，定子的内表面沿圆周方向开有通槽，在定子的内表面圆周上均匀设置有4N个凸齿，其中N代表自然数，每相邻的N个凸齿为一组绕组齿，共组成四组绕组齿，第一绕组和第二绕组分别间隔地缠绕在每组绕组齿的凸齿上，第一绕组和第二绕组为正交绕组，励磁绕组设置在定子的通槽中。

有益效果：本发明的转子采用斜面导磁结构，可以使气隙磁通发生正弦变化，进而达到两相正交信号绕组的感应电势的正、余弦变化要求；本发明的磁阻式变压器通过两组正交绕组的设置可以尽量控制剩余电势的恒定分量，简化了系统结构，提高了测量精度，并可用于系统绝对位置测量。

附图说明

图1是本发明的转子结构示意图；图2是本发明的定子轴向剖面图；图3是本发明的磁阻式变压器的俯视图；图4是本发明的定子与转子的轴向剖面示意图；图5是本发明的励磁绕组的缠绕方式示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1，本实施方式的环套形的转子2由导磁材料2-1和不导磁材料2-2组成，转子2的轴向两端为不导磁材料2-2，位于转子2轴向中间处的导磁材料2-1为两个平行平面切割圆套体所形成的斜短套。

本实施方式的转子2的形状与传统磁阻式旋转变压器中的转子形状不相同，转子2的材料由导磁和不导磁的两部分叠压成形，所述导磁材料2-1可以为硅钢片叠加结构、钋镆合金或软磁铁氧体，所述非导磁材料2-2可以为铝合金材料。

具体实施方式二：参见图3和图4，本实施方式的磁阻式单极旋转变压器由定子1、转子2、第一绕组4、第二绕组5和励磁绕组6组成，转子2与定子1同心设置，转子2的外表面与定子1的内表面之间设有气隙3，定子1的内表面沿圆周方向开有通槽1-2，在定子1的内表面圆周上均匀设置有4N个凸齿1-1，其中N代表自然数，每相邻的N个凸齿1-1为一组绕组齿，共组成四组绕组齿，第一绕组4和第二绕组5分别间隔地缠绕在每组绕组齿的凸齿1-1上，第一绕组4和第二绕组5为正交绕组，励磁绕组6设置在定子1的通槽1-2中。

在本实施方式的磁阻式旋转变压器的结构中，定子1由三段硅钢片叠压制成，转子2与定子1的一个凸齿1-1的耦合面积S是转子2同时与定子1的凸齿1-1耦合的面积之和。该斜面式磁阻式旋转变压器是一对极的，机械周期等于电周期，转子2每转过一个机械周期，耦合面积S周期性变化一次。因此，就能够得出转子2转动一个机械周期时，耦合面积S将按照余弦规律周期性变化一次。

定子1和转子2之间的耦合面积S可以表示为下式，与转子2的转角成严格的余弦函数关系：

$S=K\·\cos [\mathrm{\θ}+(i-1)\frac{2\mathrm{\π}}{Z_S}]$

由上面的分析容易得到每个定子1的凸齿1-1的气隙磁导变化公式为：

${\mathrm{\Λ}}_i={\mathrm{\μ}}_0\frac{S}{\mathrm{\δ}}={\mathrm{\μ}}_0\frac{K\·\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\δ}}=C_1\cos [\mathrm{\θ}+(i-1)\frac{2\mathrm{\π}}{Z_s}]$

每个定子1的凸齿1-1的激磁磁通量为：

${\mathrm{\φ}}_i=C_2\·\cos [\mathrm{\θ}+(i-1)\frac{2\mathrm{\π}}{Z_s}]$

定子1的励磁绕组6可以是嵌在定子1中的一个等匝集中绕组，因此当输入的励磁电压不变化时，励磁磁动势就会不变化。根据正余弦绕组采用等匝集中的连接方式，可以计算出正余弦绕组分别匝链的磁链为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=7}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i\\ {\mathrm{\ψ}}_c=\underset{i=4}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=10}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right.$

将凸齿1-1的激磁磁通量分别带入正余弦绕组分别匝链的磁链中，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s=Z_S{N}_2{\mathrm{\φ}}_1\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ψ}}_c=Z_S{N}_2{\mathrm{\φ}}_1\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

于是信号绕组的输出电势可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_s=-\frac{{\mathrm{d\ψ}}_s}{\mathrm{dt}}={-Z}_S{N}_2\sin \mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{d\φ}}_1}{\mathrm{dt}}=-e_m\sin \mathrm{\θ}\\ e_c=-\frac{{\mathrm{d\ψ}}_c}{\mathrm{dt}}-Z_S{N}_2\cos \mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{d\φ}}_1}{\mathrm{dt}}=-e_m\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其幅值可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_S=E_m\sin \mathrm{\θ}\\ E_C=E_m\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

根据幅值的公式可以将本实施方式的变压器用于角度测量或角度传感器元件，并可根据测量要求确定N的值，由于采用单对极结构可以测出被测转子的绝对零位。

具体实施方式三：参见图2，本实施方式在具体实施方式二的基础上进一步限定了每个所述凸齿1-1都由上齿1-1-1和下齿1-1-2组成，第一绕组4和第二绕组5都以分别缠绕每个凸齿1-1的上齿1-1-1和下齿1-1-2后再缠绕相邻的一个凸齿1-1的方式缠绕。

与正交信号的A相连接的第一绕组4缠绕在一个绕组齿上以后再与相隔一个绕组齿的另一组绕组齿串联，与正交信号的B相连接的第二绕组5在一个绕组齿上以后再与相隔一个绕组齿的另一组绕组齿串联，两组绕组分别代表N极和S极。

具体实施方式四：本实施方式在具体实施方式二的基础上进一步限定了所述第一绕组4和第二绕组5在每个凸齿1-1上缠绕的匝数相同。

具体实施方式五：本实施方式在具体实施方式二的基础上进一步限定了所述转子2的导磁材料2-1的厚度与上齿1-1-1的高度相等。

具体实施方式六：本实施方式在具体实施方式二的基础上进一步限定了所述气隙3的宽度均匀。宽度均匀的气隙设置能够提高测量精度。

具体实施方式七：本实施方式在具体实施方式二的基础上进一步限定了所述上齿1-1-1和下齿1-1-2的长度相等。

具体实施方式八：参见图5，本实施方式在具体实施方式二的基础上进一步限定了所述励磁绕组6为集中式绕组，励磁绕组6与定子1的轴向垂直设置。励磁绕组6的设置方式可以尽量大的削弱电势波中的恒定分量。

本发明的内容不仅仅限于上述各具体实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样可以实现发明目的。

Claims (7)

1.使用斜面导磁结构转子的磁阻式单极旋转变压器，它包括定子(1)和转子(2)，转子(2)与定子(1)同心设置，转子(2)的外表面与定子(1)的内表面之间设有气隙(3)，所述转子(2)是环套形的转子(2)，该转子(2)由导磁材料(2-1)和不导磁材料(2-2)组成，转子(2)的轴向两端为不导磁材料(2-2)，位于转子(2)轴向中间处的导磁材料(2-1)为两个平行平面切割圆套体所形成的斜短套；其特征在于它还包括第一绕组(4)、第二绕组(5)和励磁绕组(6)，定子(1)的内表面沿圆周方向开有通槽(1-2)，在定子(1)的内表面圆周上均匀设置有4N个凸齿(1-1)，其中N代表自然数，每相邻的N个凸齿(1-1)为一组绕组齿，共组成四组绕组齿，第一绕组(4)和第二绕组(5)分别间隔地缠绕在每组绕组齿的凸齿(1-1)上，第一绕组(4)和第二绕组(5)为正交绕组，励磁绕组(6)设置在定子(1)的通槽(1-2)中。

2.根据权利要求1所述的磁阻式单极旋转变压器，其特征在于每个所述凸齿(1-1)都由上齿(1-1-1)和下齿(1-1-2)组成，第一绕组(4)和第二绕组(5)都以分别缠绕每个凸齿(1-1)的上齿(1-1-1)和下齿(1-1-2)后再缠绕相邻的一个凸齿(1-1)的方式缠绕。

3.根据权利要求1所述的磁阻式单极旋转变压器，其特征在于所述第一绕组(4)和第二绕组(5)在每个凸齿(1-1)上缠绕的匝数相同。

4.根据权利要求1所述的磁阻式单极旋转变压器，其特征在于所述转子(2)的导磁材料(2-1)的厚度与上齿(1-1-1)的高度相等。

5.根据权利要求1所述的磁阻式单极旋转变压器，其特征在于所述气隙(3)的宽度均匀。

6.根据权利要求1所述的磁阻式单极旋转变压器，其特征在于所述上齿(1-1-1)和下齿(1-1-2)的长度相等。

7.根据权利要求1所述的磁阻式单极旋转变压器，其特征在于所述励磁绕组(6)为集中式绕组，励磁绕组(6)与定子(1)的轴向垂直设置。

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