CN102664095B - 一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，本发明的双通道轴向磁路旋转变压器设计成径向布置的分磁路式,精机的定子部分位于外圈,粗机的定子部分位于内圈,粗、精机共用一个由内外两环相套构成的一体化转子。转子外环沿圆周方向为正弦形波纹状，波峰个数为P。转子内环沿圆周方向亦为正弦形波纹状，波峰个数为1。外圈定子和其对应的外环转子形成轴向磁路旋转变压器的P对极精机部分，内圈定子和其对应的内环转子形成一对极粗机部分。本发明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。

Description

一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器
技术领域
本发明涉及一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，属于旋转变压器技术领域。
背景技术
磁阻式旋转变压器因为其结构简单、可靠性高、工艺性好、成本低等优点近年来得到了迅速发展，但现有的磁阻式旋转变压器其测角误差一般为角分级别，相对于传统的无刷式旋转变压器角秒级的测角误差要大了一个数量级。
双通道旋转变压器是由一个一对极旋转变压器（粗机或粗通道）和一个多对极（精机或精通道）旋转变压器通过机械组合或磁路组合构成的旋转变压器，通过粗精机测角组合可以得到精确地转角位置信号，因此可以大幅提高旋转变压器的精度，但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直径，导致旋变直径增加，在双通道旋转变压器中这种现象更为明显。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的双通道磁阻式旋转变压器进行变磁阻设计时，会导致气增大，使输入输出阻抗减小的问题，进而提供一种空间机械臂用外转子轴向磁路单极磁阻式旋转变压器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，包括：精机定子、粗机定子和一体化转子，所述精机定子、粗机定子和一体化转子三者设置在同一径向平面，所述精机定子的内圆表面与一体化转子的外圆表面之间以及粗机定子的外圆表面与一体化转子的内圆表面之间都为气隙，其特征在于，还包括精机励磁绕组、精机第一相信号绕组、精机第二相信号绕组，粗机励磁绕组、粗机第一相信号绕组和粗机第二相信号绕组；
所述精机定子是圆筒形，沿精机定子轴向由定子上段、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；
所述粗机定子是圆筒形，沿粗机定子轴向由定子上段、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外圆表面上均沿圆周方向均匀排布4N个凸齿，其中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；
所述一体化转子由外圆筒形转子、内圆筒形转子和隔磁环组成，外圆筒形转子和内圆筒形转子之间设有隔磁环；
所述外圆筒形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，三者形状相配合形成一体；
所述内圆筒形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1，三者的形状相配合形成一体；
所述精机励磁绕组为环形，位于精机定子的定子中段内侧并与精机定子同轴设置；所述精机第一相信号绕组和精机第二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，相邻组凸齿上精机第一相信号绕组和精机第二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；
所述粗机励磁绕组为环形，位于粗机定子的定子中段内侧并与粗机定子同轴设置；所述粗机第一相信号绕组和粗机第二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，形成四组凸齿，每组凸齿上缠绕同极同相信号绕组，相邻组凸齿上粗机第一相信号绕组和粗机第二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。
本发明具有以下优点：本发明采用分磁路粗精耦合结构，粗机信号和精机信号通过组合得到最终的角度位置，能大幅提高旋转变压器的精度。同时粗精机都采用轴向磁路结构，气隙小且均匀，可以使输入、输出抗增加，有利于旋转变压器负载后性能的提高，并且缩小了旋变压器的体积，与同种精度的双通道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性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为一体化转子的结构示意图；
图3为外圆筒形转子的平面展开示意图；
图4为内圆筒形转子的平面展开示意图；
图5为精机定子和粗机定子的轴向剖面图；
图6为精机励磁绕组的结构示意图；
图7为粗机励磁绕组的结构示意图；
图8为精机定子与导磁材料中段的轴向长度关系示意图；
图9为粗机定子与导磁材料中段的轴向长度关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。 
如图1~图9所示，本实施例所涉及的一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，包括： 精机定子1、粗机定子4和一体化转子2，所述精机定子1、粗机定子4和一体化转子2三者设置在同一径向平面，所述精机定子1的内圆表面与一体化转子2的外圆表面之间以及粗机定子4的外圆表面与一体化转子2的内圆表面之间都为气隙；还包括精机励磁绕组5、精机第一相信号绕组6、精机第二相信号绕组7，粗机励磁绕组8、粗机第一相信号绕组9和粗机第二相信号绕组10；
所述精机定子1是圆筒形，沿精机定子1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；
所述粗机定子4是圆筒形，沿粗机定子4轴向由定子上段4-1、定子中段4-2和定子下段4-3组成，定子上段4-1和定子下段4-3的形状相同，定子上段4-1和定子下段 4-3的外圆表面上均沿圆周方向均匀排布4N个凸齿4-4，其中N为自然数，相邻凸齿4-4之间为齿槽，所述齿槽的内径与定子中段4-2的内径相同；
所述一体化转子2由外圆筒形转子2-1、内圆筒形转子2-2和隔磁环3组成，外圆筒形转子2-1和内圆筒形转子2-2之间设有隔磁环3，使外环和内环的磁路相互独立，保证旋转变压器的精度不受磁耦合的影响。
所述外圆筒形转子2-1由非导磁材料上段2-1-1、导磁材料中段2-1-2和非导磁材料下段2-1-3组成，导磁材料中段2-1-2沿圆周方向呈现为波纹状，并且波峰个数为P，三者形状相配合形成一体；
所述内圆筒形转子2-2由非导磁材料上段2-2-1、导磁材料中段2-2-2和非导磁材料下段2-2-3组成，导磁材料中段2-2-2沿圆周方向呈现为波纹状，并且波峰个数为1，三者的形状相配合形成一体；
所述精机励磁绕组5为环形，位于精机定子1的定子中段1-2内侧并与精机定子1同轴设置；所述精机第一相信号绕组6和精机第二相信号绕组7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上精机第一相信号绕组6和精机第二相信号绕组7相间隔排布，所有同相同极的信号绕组正向串联；
所述粗机励磁绕组8为环形，位于粗机定子4的定子中段4-2内侧并与粗机定子4同轴设置；所述粗机第一相信号绕组9和粗机第二相信号绕组10为两相对称交流绕组，定子上段4-1和定子下段4-3上相同位置的相邻N个凸齿4-4为一组，形成四组凸齿4-4，每组凸齿4-4上缠绕同极同相信号绕组，相邻组凸齿4-4上粗机第一相信号绕组9和粗机第二相信号绕组10相间隔排布，所有同相同极的信号绕组正向串联。
所述精机定子1的定子上段1-1、定子中段1-2和定子下段1-3以及粗机定子4的定子上段4-1、定子中段4-2和定子下段4-3均为环形硅钢片叠压成的铁心。
所述精机第一相信号绕组6和精机第二相信号绕组7的匝数相等。
所述粗机第一相信号绕组9和粗机第二相信号绕组10的匝数相等。
所述精机定子1的内圆表面与一体化转子2的外圆表面之间以及粗机定子4的外圆表面与一体化转子2的内圆表面之间的气隙长度为0.3~0.7mm。
所述外圆筒形转子2-1的外圆表面和内圆筒形转子2-2的内圆表面为光滑表面或其轴向的中段为环形凹槽。外圆筒形转子2-1的外圆表面和内圆筒形转子2-2的内圆表面为光滑表面时，加工方便，但其过零点不很明显。外圆筒形转子2-1的外圆表面和内圆筒形转子2-2的内圆表面的中段为环形凹槽时，能够使过零点处的标志显著加强，便于过零点的测试
所述精机励磁绕组5和粗机励磁绕组8均为集中绕组。
所述外圆筒形转子2-1的导磁材料中段2-1-2的轴向长度与精机定子1的定子上段1-1和定子下段1-3的轴向长度均相同。
所述内圆筒形转子2-2的导磁材料中段2-2-2的轴向长度与粗机定子4的定子上段4-1和定子下段4-3的轴向长度均相同。
所述波纹状是指呈现周期正弦函数曲线状。
将波纹状外圆筒形转子2-1的导磁材料中段2-1-2和内圆筒形转子2-2的导磁材料中段2-2-2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，可以得到定转子的祸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
工作原理：
本发明的精机定子1和外圆筒形转子2-1配合绕组5、6和7构成双通道旋转变压器的精通道，粗机定子4和内圆筒形转子2-2配合绕组8、9和10构成双通道旋转变压器的粗通道。转子每转过360度，双通道旋转变压器的粗机输出一个电周期的信号电势，精机输出P个电周期信号电势，将粗机和精机的输出电势组合再经过解调就可以得到精确的转子转角信号。
本发明中精机定子1和外圆筒形转子2-1构成的精机、粗机定子4和内圆筒形转子2-2构成的粗机都为轴向磁路磁阻式旋转变压器，其原理是利用定转子间耦合面积变化引起气隙磁导变化，从而输出随转子转角变化的输出电势；
精机定子1的一个齿和外圆筒形转子2-1导磁中段2-1-2之间的耦合面积S可以表示为下式，它与一体化转子2转角成严格的余弦函数关系： 
                                                   
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE002
为精机定子1与一体化转子2导磁带全部祸合的面积最大值；
    
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE003
 为转子机械转角；
    
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE004
为精机定子1齿数；
 则轴向磁路旋转变压器第i个齿下的气隙磁导为：
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE006
第i个齿下的磁通为：
          
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE007
正余弦绕组匝链的磁链为：
    
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE008
  
        式中
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE009
为信号绕组匝数。
        化简得到：
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE010
                      
 得到信号绕组的输出电势为：
                                
Figure 2012101839096100002DEST_PATH_IMAGE011
                                
        其幅值可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
                    
由上述分析可知，当对精机励磁绕组5和精机第一相信号绕组6通以恒压频率的交流电时，精机第一相信号绕组6、精机第二相信号绕组7和粗机第一相信号绕组9、粗机第二相信号绕组10将分别输出电动势幅值随一体化转子2转角作正弦和余弦变化的电压，精机第一相信号绕组6和精机第二相信号绕组7输出信号电势周期为T，粗机第一相信号绕组9和粗机第二相信号绕组10输出信号电势周期为PT。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双定子双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，包括：精机定子、粗机定子和一体化转子，所述精机定子、粗机定子和一体化转子三者设置在同一径向平面，所述精机定子的内圆表面与一体化转子的外圆表面之间以及粗机定子的外圆表面与一体化转子的内圆表面之间都为气隙，其特征在于，还包括精机励磁绕组、精机第一相信号绕组、精机第二相信号绕组，粗机励磁绕组、粗机第一相信号绕组和粗机第二相信号绕组；
所述精机定子是圆筒形，沿精机定子轴向由定子上段、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；
所述粗机定子是圆筒形，沿粗机定子轴向由定子上段、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外圆表面上均沿圆周方向均匀排布4N个凸齿，其中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；
所述一体化转子由外圆筒形转子、内圆筒形转子和隔磁环组成，外圆筒形转子和内圆筒形转子之间设有隔磁环；
所述外圆筒形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，三者形状相配合形成一体；
所述内圆筒形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1，三者的形状相配合形成一体；
所述精机励磁绕组为环形，位于精机定子的定子中段内侧并与精机定子同轴设置；所述精机第一相信号绕组和精机第二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，相邻组凸齿上精机第一相信号绕组和精机第二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；
所述粗机励磁绕组为环形，位于粗机定子的定子中段内侧并与粗机定子同轴设置；所述粗机第一相信号绕组和粗机第二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，形成四组凸齿，每组凸齿上缠绕同极同相信号绕组，相邻组凸齿上粗机第一相信号绕组和粗机第二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。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述精机定子的定子上段、定子中段和定子下段以及粗机定子的定子上段、定子中段和定子下段均为环形硅钢片叠压成的铁心。
3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述精机第一相信号绕组和精机第二相信号绕组的匝数相等。
4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述粗机第一相信号绕组和粗机第二相信号绕组的匝数相等。
5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述精机定子的内圆表面与一体化转子的外圆表面之间以及粗机定子的外圆表面与一体化转子的内圆表面之间的气隙长度为0.3~0.7mm。
6.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于，所述外圆筒形转子的外圆表面和内圆筒形转子的内圆表面为光滑表面或其轴向的中段为环形凹槽。
7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所述精机励磁绕组和粗机励磁绕组均为集中绕组。
8.根据权利要求7所述的变压器，其特征在于，所述外圆筒形转子的导磁材料中段的轴向长度与精机定子的定子上段和定子下段的轴向长度均相同。
9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，所述内圆筒形转子的导磁材料中段的轴向长度与粗机定子的定子上段和定子下段的轴向长度均相同。
10.根据权利要求1所述的变压器，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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