CN102664098A - 空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器 - Google Patents

空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器 Download PDF

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尚静
王昊
王伟强
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Abstract

本发明提供了一种空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，所述定子与转子之间设有相等的气隙；所述转子的中部设有波浪形的导磁材料，导磁材料沿转子圆周方向分布有P个波峰与P个波谷，转子的两个端部为非导磁材料，定子的外表面轴向开有4NP个齿槽，且圆周方向开有一个通槽，使定子的外表面形成4NP对上齿与下齿，按次序将每相邻的N个上齿与所对应的N个下齿作为一组绕组齿，共有4P组绕组齿。本发明具有波浪形的导磁材料以及励磁绕组与信号绕组的垂直缠绕方式，使两相信号绕组的感应电动势按正、余弦规律变化，削弱了电势波形中的恒定分量；本发明采用轴向磁路结构，体积缩小，且旋转变压器负载性能也有所提高。

Description

空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器
技术领域
本发明涉及一种空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，属于旋转变压器技术领域。
背景技术
空间机械臂工作于空间环境，震动、高精度、体积重量等条件要求苛刻。现有的旋转变压器由接触式旋转变压器发展到带耦合变压器的旋转变压器，再到游标式旋转变压器，尽管逐渐地实现了无刷化，但结构仍比较复杂，误差较大，不利于高精度测量。现有的磁阻式旋转变压器进一步简化了结构，一般采用定子与转子间的可变气隙来实现磁阻变化，使输出信号的电势幅值发生变化。当气隙较大时，会使旋转变压器的输入阻抗与输出阻抗减小，导致负载性能的下降，影响测量精度。对于可变气隙的磁阻式旋转变压器而言，当极对数增加到一定数值时，整个旋转变压器的直径也将大幅度的增加，影响旋转变压器的整体性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的磁阻式旋转变压器进行变磁阻设计时引起的气隙增大，导致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多对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：
一种空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，包括：转子、定子、第一相信号绕组、第二相信号绕组和励磁绕组，所述定子与转子之间设有相等的气隙；所述转子的中部设有波浪形的导磁材料，导磁材料沿转子圆周方向分布有P个波峰与P个波谷，转子的两个端部为非导磁材料，导磁材料与非导磁材料组成圆筒形的转子结构；所述定子包含齿槽、上齿、下齿及通槽，定子的外表面轴向开有4NP个齿槽，且圆周方向开有一个通槽，使定子的外表面形成4NP对上齿与下齿，按次序将每相邻的N个上齿与所对应的N个下齿作为一组绕组齿，共有4P组绕组齿；所述第一相信号绕组和第二相信号绕组分别间隔地缠绕在4P组绕组齿上，每组绕组齿上的信号绕组同极同相缠绕，且同相同极的信号绕组正向串联；所述励磁绕组放置于定子外表面的通槽中，且与定子同心设置。
本发明具有以下优点：本发明具有波浪形的导磁材料以及励磁绕组与信号绕组的垂直缠绕方式，使两相信号绕组的感应电动势按正、余弦规律变化，削弱了电势波形中的恒定分量；本发明采用轴向磁路结构，与同种精度的磁阻式旋转变压器相比，体积缩小，且旋转变压器负载性能也有所提高。 
附图说明
图1为本发明实施例提供的多对极磁阻式旋转变压器的结构示意图；
图2为转子的结构示意图；
图3为转子的平面展开示意图；
图4为本发明实施例提供的多对极磁阻式旋转变压器的轴向剖面图；
图5为定子的励磁绕组的结构示意图。 
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5所示，本实施例所涉及的一种空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，包括：转子1、定子2、第一相信号绕组4、第二相信号绕组5和励磁绕组6，所述定子2与转子1之间设有相等的气隙3；所述转子1的中部设有波浪形的导磁材料1-1，导磁材料1-1沿转子1圆周方向分布有P个波峰与P个波谷，P为极对数；转子1的两个端部为非导磁材料1-2，导磁材料1-1与非导磁材料1-2组成圆筒形的转子1结构；所述定子2包含齿槽7、上齿2-1、下齿2-3及通槽2-2，定子2的外表面轴向开有4NP个齿槽7，且圆周方向开有一个通槽2-2，使定子2的外表面形成4NP对上齿2-1与下齿2-3，按次序将每相邻的N个上齿2-1与所对应的N个下齿2-3作为一组绕组齿，共有4P组绕组齿，其中N为自然数；所述第一相信号绕组4和第二相信号绕组5分别间隔地缠绕在4P组绕组齿上，每组绕组齿上的信号绕组同极同相缠绕，且同相同极的信号绕组正向串联；所述励磁绕组6放置于定子2外表面的通槽2-2中，且与定子2同心设置。
所述定子2与转子1之间的气隙3为0.3~0.7毫米。
所述定子2为环形硅钢片叠压成的铁心。
所述定子2的上齿2-1、下齿2-3及通槽2-2的轴向长度与转子1的导磁材料1-1的轴向长度相等。这样能够保证耦合面积与转子1转角成正余弦函数规律变化，最终使气隙磁导也按照正余弦规律变化。
所述励磁绕组6为集中绕组或双层短距绕组。
所述缠绕于每对上齿2-1与下齿2-3上的第一相信号绕组4和第二相信号绕组5的匝数相等。
所述转子1上的导磁材料1-1按正弦规律周期性分布于转子1的中部。
本发明的气隙磁导的变化主要依赖于转子1与定子2之间的耦合面积随机械角度的变化，具体体现为转子1的导磁材料1-1同定子2的上齿2-1与下齿2-3之间相对位置的变化。转子1与定子2的耦合面积是转子1同时与所有上齿2-1与下齿2-3的耦合面积之和，可以表示为：
式中，为定子2与转子1导磁带全部耦合面积的最大值；
Figure 356298DEST_PATH_IMAGE006
为转子1转过的机械角度；
Figure 813824DEST_PATH_IMAGE008
为定子2的上齿2-1或下齿2-3的个数，
Figure 690513DEST_PATH_IMAGE010
。
于是每一对定子2的上齿2-1与下齿2-3的气隙磁导
Figure 512976DEST_PATH_IMAGE012
可以表示为：
Figure 842326DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 41226DEST_PATH_IMAGE016
为空气的相对磁导率；
Figure 772422DEST_PATH_IMAGE018
为气隙磁导
Figure DEST_PATH_IMAGE019
的幅值。
由上式可得，每一对定子2的上齿2-1与下齿2-3的激磁磁通量为：
由于励磁绕组6与正余弦绕组相互垂直设置，且正余弦绕组采用等匝集中的连接方式，于是可以计算出正余弦绕组各自的磁链如下： 
并将上式得出的每一对定子2的上齿2-1与下齿2-3的激磁磁通量代入其中可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
于是A相信号绕组4与B相信号绕组5的输出电势可以表示为：
式中，为感应电势幅值。
由上述分析可知，励磁绕组6和两相信号绕组的空间位置相差90°，这样两者的耦合面积较小，分布电容小，也就减小了信号绕组的剩余电势，从而减小了精度误差。
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 (7)

1.一种空间机械臂用外转子轴向磁路多对极磁阻式旋转变压器，包括：转子、定子、第一相信号绕组、第二相信号绕组和励磁绕组，其特征在于，所述定子与转子之间设有相等的气隙；所述转子的中部设有波浪形的导磁材料，导磁材料沿转子圆周方向分布有P个波峰与P个波谷，转子的两个端部为非导磁材料，导磁材料与非导磁材料组成圆筒形的转子结构；所述定子包含齿槽、上齿、下齿及通槽，定子的外表面轴向开有4NP个齿槽，且圆周方向开有一个通槽，使定子的外表面形成4NP对上齿与下齿，按次序将每相邻的N个上齿与所对应的N个下齿作为一组绕组齿，共有4P组绕组齿；所述第一相信号绕组和第二相信号绕组分别间隔地缠绕在4P组绕组齿上，每组绕组齿上的信号绕组同极同相缠绕，且同相同极的信号绕组正向串联；所述励磁绕组放置于定子外表面的通槽中，且与定子同心设置。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述定子与转子之间的气隙为0.3~0.7毫米。
3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述定子为环形硅钢片叠压成的铁心。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述定子的上齿、下齿及通槽的轴向长度与转子的导磁材料的轴向长度相等。
5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述励磁绕组为集中绕组或双层短距绕组。
6.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述缠绕于每对上齿与下齿上的第一相信号绕组和第二相信号绕组的匝数相等。
7.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述转子上的导磁材料按正弦规律周期性分布于转子的中部。
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