CN102034596B - 轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器 - Google Patents

Abstract

轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，属于变压器技术领域。它解决现有磁阻式旋转变压器进行变磁阻设计时，会导致气隙增大，使输入输出阻抗减小的问题。它定子与转子之间为气隙，定子上段和定子下段的形状相同，并且内圆表面上沿圆周方向排布4PN个凸齿，相邻凸齿之间为齿槽，齿槽与定子中段的内径相同；转子的导磁材料中段沿圆周方向呈现为波纹状，波峰个数为P；励磁绕组位于定子中段在定子内表面所形成的凹槽中，与定子同轴；定子上段和定子下段上相同位置的相邻N个凸齿为一组，A相信号绕组和B相信号绕组在4P组凸齿上相间隔排布，一组凸齿上缠绕同极同相信号绕组，同相同极的信号绕组正向串联。本发明用于伺服系统的速度及位置的测量。

Description

轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器

技术领域

本发明涉及一种轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，属于变压器技术领域。

背景技术

多极旋转变压器作为一种高精度位置测试元件，其磁路结构的互补性可以抵消偏心等因素引起的测量误差。传统的绕线式旋转变压器，由于其输入绕组和输出绕组分别置于转子和定子上，为了实现旋转变压器的无刷化，则需要增加一个耦合变压器，由此造成旋转变压器的结构复杂化；另一种为游标式旋转变压器，它的输入绕组和输出绕组都设置在定子上，实现了无刷化，但是这种旋转变压器需要采用结构复杂的正弦绕组。

目前发展较快的磁阻式旋转变压器从根本上解决了励磁结构的难题，现有的磁阻式旋转变压器一般采用径向磁路变磁阻结构：即通过改变气隙的长度和大小进行变磁阻设计，进而改变输出信号的电势幅值。当气隙较大时，会使旋转变压器的输出及输入阻抗减小，并受负载影响较大。同时当极对数增加到一定数值时，需要相应较大幅度地增加其直径，导致旋变直径增加。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有磁阻式旋转变压器进行变磁阻设计时，会导致气隙增大，使输入输出阻抗减小的问题，提供一种轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器。

本发明包括定子和转子，所述定子的内圆表面与转子的外圆表面之间为气隙，

它还包括励磁绕组、A相信号绕组和B相信号绕组，

所述定子是圆筒形，沿其轴向由定子上段、定子中段和定子下段组成，定子上段和定子下段的形状相同，定子上段和定子下段的内圆表面上均沿圆周方向均匀排布4PN个凸齿，其中P为极对数，N为自然数，相邻凸齿之间为齿槽，所述齿槽的内径与定子中段的内径相同；

所述转子由非导磁材料上段、导磁材料中段和非导磁材料下段组成，导磁材料中段沿圆周方向呈现为波纹状，并且波峰个数为P，非导磁材料上段和非导磁材料下段与导磁材料中段的形状相配合形成一体；

所述励磁绕组为环形，励磁绕组位于定子中段内侧，并与定子同轴设置；

所述A相信号绕组和B相信号绕组为两相对称交流绕组，定子上段和定子下段上相同位置的相邻N个凸齿为一组，形成4P组凸齿，每组凸齿上缠绕同极同相信号绕组，相邻组凸齿上A相信号绕组和B相信号绕组相间隔排布，所有同相同极的信号绕组正向串联。

本发明的优点是：本发明采用轴向磁路结构，气隙小且均匀，可以使输入、输出阻抗增加，有利于旋转变压器负载后性能的提高。同时，本发明的轴向磁路结构，缩小了旋转变压器的体积，与同种精度的磁阻式旋转变压器相比，体积最小。

本发明的两相信号绕组与励磁绕组构成正交结构，可以尽量大地削弱电势波形中的恒定分量。转子采用优化函数后的多峰波纹导磁材料中段，它保证了气隙磁通的正弦变化，进而保证了两相正交信号绕组的感应电势幅值满足随位置变化的正、余弦函数要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为转子的结构示意图；

图3为图2的平面展开示意图；

图4为定子的轴向剖面图；

图5为定子的励磁绕组的结构示意图；

图6为定子上段和定子下段与导磁材料中段的轴向长度关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式包括定子1和转子2，所述定子1的内圆表面与转子2的外圆表面之间为气隙，

它还包括励磁绕组3、A相信号绕组4和B相信号绕组5，

所述定子1是圆筒形，沿其轴向由定子上段1-1、定子中段1-2和定子下段1-3组成，定子上段1-1和定子下段1-3的形状相同，定子上段1-1和定子下段1-3的内圆表面上均沿圆周方向均匀排布4PN个凸齿1-4，其中P为极对数，N为自然数，相邻凸齿1-4之间为齿槽，所述齿槽的内径与定子中段1-2的内径相同；

所述转子2由非导磁材料上段2-1、导磁材料中段2-2和非导磁材料下段2-3组成，导磁材料中段2-2沿圆周方向呈现为波纹状，并且波峰个数为P，非导磁材料上段2-1和非导磁材料下段2-3与导磁材料中段2-2的形状相配合形成一体；

所述励磁绕组3为环形，励磁绕组3位于定子中段1-2内侧，并与定子1同轴设置；

所述A相信号绕组4和B相信号绕组5为两相对称交流绕组，定子上段1-1和定子下段1-3上相同位置的相邻N个凸齿1-4为一组，形成4P组凸齿1-4，每组凸齿1-4上缠绕同极同相信号绕组，相邻组凸齿1-4上A相信号绕组4和B相信号绕组5相间隔排布，所有同相同极的信号绕组正向串联。

本实施方式中定子1设置于不动的机构上，转子2设置于可转动的机构上，定子1上同时绕有励磁绕组3、A相信号绕组4和B相信号绕组5，并且励磁绕组3与两相信号绕组所在平面呈现正交放置状态，励磁绕组3形成轴向的励磁磁路。所述励磁绕组3采用同心式集中环形绕组，它水平放置于定子中段1-2在定子1内表面所形成的凹槽中。

所述的旋转变压器，其转子2由三段组成，上下两段由非导磁材料制成，中段由导磁材料制成，导磁材料中段2-2的轮廓随转子位置呈波纹变化，非导磁材料上段2-1和非导磁材料下段2-3作为导磁材料中段2-2的支撑构件，其波纹状的导磁材料中段2-2为优化设计的函数图形，在加工方式上需要进行三维立体成型。

定子1的定子上段1-1和定子下段1-3的内表面均设计有轴向的通齿槽，4PN个凸齿1-4上分别缠绕着A相信号绕组4和B相信号绕组5，其中有2PN个凸齿1-4上缠绕为A相信号绕组4，构成P对极结构，N极下的N个绕组正向串联，S极下的N个绕组正向串联；同样有2PN个凸齿1-4上缠绕为B相信号绕组5，构成P对极结构。

具体实施方式二：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述定子上段1-1、定子中段1-2和定子下段1-3均为环形硅钢片叠压成的铁心。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述A相信号绕组4和B相信号绕组5的匝数相等。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

工作原理：

本发明中转子2与定子1齿的耦合面积是转子2与定子上段1-1的凸齿1-4及定子下段1-3凸齿1-4的耦合面积之和。假设在某一时刻转子2与定子上段1-1的凸齿1-4的耦合面积为S上，与定子下段1-3的凸齿1-4的耦合面积为S下，则总的耦合面积为S＝S上+S下。由于本发明所述磁阻式旋转变压器是P对极的，其机械周期等于P次倍的电周期，因此转子2每转过一个机械周期，其与定子1凸齿1-4的耦合面积S则周期性变化P次。因此，适当地设计转子2多峰波纹带函数，就能够保证转子2转动一个机械周期时，定转子磁路耦合面积S按照余弦规律周期性变化P次。

定转子之间的耦合面积S可以表示为下式，它与转子2转角成严格的余弦函数关系：

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

式中K为定子1与转子2导磁带全部耦合的面积最大值；

θ为转子2转过的机械角度；

Z_s为定子1凸齿1-4个数，Z_s＝4PN；

由上面的分析容易得到每个定子1凸齿1-4下的气隙磁导Λ_i变化式为：

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

式中δ为气隙长度；

μ₀为空气的相对磁导率；

C₁为气隙磁导Λ_i的幅值；

每个定子凸齿1-4下的激磁磁通φ_i为：

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

式中C₂为定子1与转子2导磁带全部耦合的磁通最大值；

由于定子励磁绕组3是嵌在定子上段1-1和定子下段1-3铁心中的一个等匝集中绕组，两相信号绕组是缠绕在上下凸齿1-4上的等匝集中绕组，因此当输入的激磁电压不变化时，激磁磁动势就不会变化。根据正余弦绕组采用等匝集中的连接方式，可以计算出A相信号绕组4匝链的磁链ψ_s和B相信号绕组5匝链的磁链ψ_c为：

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

N₂为每个凸齿1-4上信号绕组的匝数；

联合上述表达式经过一定的化简，得到：

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

φ₁为激磁磁通φ_i的最大值；

于是A相信号绕组4的输出电势e_s和B相信号绕组5的输出电势e_c分别表示为：

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

e_m为感应电势数值；

则A相信号绕组4输出电势的幅值E_S和B相信号绕组5输出电势的幅值E_C分别表示为：

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

E_m为感应电势幅值。

由上述分析可知，当对励磁绕组3通以恒压频率的交流电时，A相信号绕组4和B相信号绕组5将分别输出电动势幅值随转子2转角作正弦和余弦变化的电压。同时因其结构的特殊性，能使电势恒定分量减小，同时可以最大限度地消除安装偏心等带来的误差。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述气隙的径向长度为0.3mm到0.7mm。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述转子2的外圆表面为光滑表面或其轴向的中段为环形凹槽。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

转子2的外圆表面为光滑表面时，加工方便，但其过零点不很明显。当转子2的外圆表面中段为环形凹槽时，能够使过零点处的标志显著加强，便于过零点的测试。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述励磁绕组3为集中绕组或双层短距绕组。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

具体实施方式七：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述转子2的导磁材料中段2-2的轴向长度与定子上段1-1和定子下段1-3的轴向长度均相同。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

本实施方式中使导磁材料中段2-2与定子上段1-1和定子下段1-3的轴向长度均相同，能使铁心的利用率最高；在同样外形尺寸的条件下，使输出电势最大。

本发明提供了一种高精度多极无刷磁阻式旋转变压器，可用于伺服系统的速度以及位置的测量传感。具有结构简单、紧凑的特点，同时具有极强的抗震性能。它与同种精度的磁阻式旋转变压器相比，体积最小。适用于电动汽车、航空及航天领域。本发明加工方便，适于批量生产。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式三的进一步说明，实施方式一中所述的导磁材料中段2-2沿圆周方向呈现为波纹状，所述波纹状是指呈现周期正弦函数曲线状。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

将波纹状导磁材料中段2-2进行设计计算，可得到最佳函数为周期正弦函数，在周期正弦函数下，可以得到定转子的耦合面积函数为正弦函数，能够减小其测量得到的零位误差以及函数误差。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (7)

1.一种轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，它包括定子(1)和转子(2)，所述定子(1)的内圆表面与转子(2)的外圆表面之间为气隙，其特征在于：

它还包括励磁绕组(3)、A相信号绕组(4)和B相信号绕组(5)，

所述定子(1)是圆筒形，沿其轴向由定子上段(1-1)、定子中段(1-2)和定子下段(1-3)组成，定子上段(1-1)和定子下段(1-3)的形状相同，定子上段(1-1)和定子下段(1-3)的内圆表面上均沿圆周方向均匀排布4PN个凸齿(1-4)，其中P为极对数，N为自然数，相邻凸齿(1-4)之间为齿槽，所述齿槽的内径与定子中段(1-2)的内径相同；

所述转子(2)由非导磁材料上段(2-1)、导磁材料中段(2-2)和非导磁材料下段(2-3)组成，导磁材料中段(2-2)沿圆周方向呈现为波纹状，并且波峰个数为P，非导磁材料上段(2-1)和非导磁材料下段(2-3)与导磁材料中段(2-2)的形状相配合形成一体；

所述励磁绕组(3)为环形，励磁绕组(3)位于定子中段(1-2)内侧，并与定子(1)同轴设置；

所述A相信号绕组(4)和B相信号绕组(5)为两相对称交流绕组，定子上段(1-1)和定子下段(1-3)上相同位置的相邻N个凸齿(1-4)为一组，形成4P组凸齿(1-4)，每组凸齿(1-4)上缠绕同极同相信号绕组，相邻组凸齿(1-4)上A相信号绕组(4)和B相信号绕组(5)相间隔排布，所有同相同极的信号绕组正向串联。

2.根据权利要求1所述的轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，其特征在于：所述定子上段(1-1)、定子中段(1-2)和定子下段(1-3)均为环形硅钢片叠压成的铁心。

3.根据权利要求1或2所述的轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，其特征在于：所述A相信号绕组(4)和B相信号绕组(5)的匝数相等。

4.根据权利要求1或2所述的轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，其特征在于：所述气隙的径向长度为0.3mm到0.7mm。

5.根据权利要求1或2所述的轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，其特征在于：所述励磁绕组(3)为集中绕组或双层短距绕组。

6.根据权利要求1或2所述的轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，其特征在于：所述转子(2)的导磁材料中段(2-2)的轴向长度与定子上段(1-1)和定子下段(1-3)的轴向长度均相同。

7.根据权利要求3所述的轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，其特征在于：所述波纹状是指呈现周期正弦函数曲线状。

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