CN102723185A

CN102723185A - 一种双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器

Info

Publication number: CN102723185A
Application number: CN201210183901XA
Authority: CN
Inventors: 尚静; 王昊; 刘承军; 邹继斌; 陆永平
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102723185B

Abstract

本发明提供了一种双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，所述精机定子铁芯上绕有精机定子励磁绕组和精机定子信号绕组；粗机定子铁芯上绕有粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组；精机定子励磁绕组和精机定子信号绕组所在平面、粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组所在平面均呈现正交状态，励磁磁路采用轴向磁路结构；转子的外表面与定子的内表面之间设有均匀的气隙。本发明旋变的双通道轴向磁阻式设计，可以提供高精度位置信号和绝对位置信号。励磁绕组、信号绕组的正交设置可以尽量控制剩余电势的恒定分量；转子采用优化函数后的多峰波纹导磁带可以保证气隙磁通的正弦变化，进而保证两相正交信号绕组的感应电势幅值随位置变化的正、余弦函数要求。

Description

一种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

双通道磁阻式多极旋转变压器以其位置测试精度高、抗振动性能好以及抗电磁干扰能力强等特点适用于高精度位置闭环系统中，作为闭环用位置、速度传感器。同时可以提供系统绝对位置。

多极旋转变压器作为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引起的测量误差。传统绕线式旋转变压器，由于其输入输出绕组分别置于转子和定子上，为实现无刷化，需增加一个耦合变压器，使其结构复杂化；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。一般磁阻式旋转变压器采用径向磁路变磁阻结构：即通过改变气隙长度大小进行变磁阻设计，进而改变输出信号的电势幅值。由于气隙较大，使输出、输入阻抗较小，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。

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由于气隙较大，使输出、输入阻抗较小，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，导致旋变直径增加的问题，进而提供一种双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，包括：定子和转子，所述定子包括定子机壳、精机定子铁芯、精机定子励磁绕组、精机定子信号绕组、粗机定子铁芯、粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组；所述转子包括转子非导磁支架、粗机转子导磁波环和精机转子导磁波环，所述精机定子铁芯和粗机定子铁芯相互平行设置固定于定子机壳内，精机定子铁芯上绕有精机定子励磁绕组和精机定子信号绕组；粗机定子铁芯上绕有粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组；精机定子励磁绕组和精机定子信号绕组所在平面、粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组所在平面均呈现正交状态，励磁磁路采用轴向磁路结构；转子的外表面与定子的内表面之间设有均匀的气隙。

本发明具有以下优点：一、旋变的双通道轴向磁阻式设计，可以提供高精度位置信号和绝对位置信号。二、励磁绕组、信号绕组的正交设置可以尽量控制剩余电势的恒定分量；三、转子采用优化函数后的多峰波纹导磁带可以保证气隙磁通的正弦变化，进而保证两相正交信号绕组的感应电势幅值随位置变化的正、余弦函数要求。

附图说明

图1是本发明双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器结构的截面示意图；

图2是双通道旋变系统轴向图；

图3是双通道旋变转子平面展开示意图；

图4是定子轴向剖面图；

图5是定子励磁绕组结构示意图；

图6是定子铁芯和转子铁芯尺寸相互关系示意图。

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6所示，本实施例所涉及的一种双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，包括：定子1和转子2，所述定子1包括定子机壳11、精机定子铁芯12、精机定子励磁绕组13、精机定子信号绕组14、粗机定子铁芯15、粗机定子激励绕组16和粗机定子信号绕组17；所述转子2包括转子非导磁支架21、粗机转子导磁波环22和精机转子导磁波环23，所述精机定子铁芯12和粗机定子铁芯15相互平行设置固定于定子机壳11内，精机定子铁芯12上绕有精机定子励磁绕组13和精机定子信号绕组14；粗机定子铁芯15上绕有粗机定子激励绕组16和粗机定子信号绕组17；精机定子励磁绕组13和精机定子信号绕组14所在平面、粗机定子激励绕组16和粗机定子信号绕组17所在平面均呈现正交状态，励磁磁路采用轴向磁路结构；转子2的外表面与定子1的内表面之间设有均匀的气隙。

如图3所示，所述转子2由五段组成，上中下三段即转子非导磁支架21由非导磁性材料制成，中间两段即粗机转子导磁波环22和精机转子导磁波环23均由导磁性材料构成，导磁性材料轮廓沿转子轴向随转子位置呈现波纹变化，非导磁材料作用为支撑导磁材料构件。上段即精机转子导磁波环23波纹状波峰个数等于精机极对数P1，下段即粗机转子导磁波环22波纹状波峰个数等于粗机极对数1。带状波纹形状为优化设计函数图形。加工方式需要进行三维立体成型加工。

如图1所示，还包括第一线圈A-X和第二线圈B-Y；所述第一线圈A-X和第二线圈B-Y可以采用集中绕组或是短距双层绕组。定子绕组AX、BY绕在每齿匝数相同。AX、BY分别为两相信号绕组，它们与励磁绕组为正交放置关系。

如图1和图4所示，所述精机定子铁芯12和粗机定子铁芯15分别由三块铁芯组装而成，所述的铁芯轴向方向上H1分为三段：第一段H2、第二段H3和第三段H4；所述第一段H2和第二段H3的结构完全相同，第一段H2和第二段H3的内表面沿轴向开有多个通槽1-2，且相邻两个通槽1-2之间设有凸齿1-1，其内表面沿圆周方向均匀排列有4PN个凸齿1-1，N的选择可以是任意的，其具体选择方案根据绕组工艺确定。在第一段H2和第二段H3上分别缠绕着所述正交信号绕组A相和B相的线圈，2PN个A相线圈构成P对极结构，N极下的N个线圈正向串联，S极下的N个线圈正向串联；第三段H4为环形硅钢片叠成的铁心，其与第一段H2和第二段H3的间隙中放置环形的所述励磁绕组F1F2，与所述信号绕组构成正交结构，这样做可以尽量大地削弱电势波形中的恒定分量。

如图6所示，精机定子铁芯12和粗机定子铁芯15分别由d上、d中、d下三段组成。d上、d中、d下为三段铁心厚度。d上、d下上缠绕两相信号绕组，d中的空间内放置环形激磁绕组。R为转子半径，β角为转子导磁斜环最大张角。

转子中间导磁材料的厚度与定子三段式定子结构中长度相等，即：

转子与定子一个齿的耦合面积是转子同时与定子上、下齿的耦合面积之和。假设在某一时刻转子与上齿的耦合面积为

，与下齿的耦合面积为

，则与定子一个齿总的耦合面积为

。该波纹状转子磁阻式旋转变压器是P对极的，机械周期等于P次倍的电周期，转子每转过一个机械周期，耦合面积

周期性变化P次。因此，适当地设计转子多峰波纹带函数，就能够保证转子转动的一个机械周期时，定转子磁路耦合面积

将按照余弦规律周期性变化P次。

定转子之间的耦合面积可以表示为下式，与转子转角成严格的余弦函数关系：

Figure 201210183901X100002DEST_PATH_IMAGE012

由上面的分析容易得到每个定子齿下的气隙磁导变化式为：

Figure 201210183901X100002DEST_PATH_IMAGE014

每个定子齿下的励磁磁通为：

Figure 201210183901X100002DEST_PATH_IMAGE016

由于定子励磁绕组是嵌在定子上下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：

Figure 201210183901X100002DEST_PATH_IMAGE018

经过一定的化简，得到：

于是信号绕组的输出电势可以表示为：

Figure 201210183901X100002DEST_PATH_IMAGE022

其幅值可以表示为：

Figure 201210183901X100002DEST_PATH_IMAGE024

。

本发明是一种高精度多极无刷磁阻式旋转变压器，用于伺服系统的速度以及位置传感器。其特点是结构简单、紧凑。具有极强的抗震性能。与同种精度的磁阻式旋转变压器相比，体积最小。适于电动汽车、航空及航天领域。本发明的励磁绕组通以恒压频率的交流电时，正弦绕组和余弦绕组分别输出电动势幅值随转子转角作正弦和余弦变化的电压。同时因其结构的特殊性，使得电势恒定分量减小。同时可以最大限度地消除安装偏心等带来的误差。同时可以检测绝对位置。本发明结构简单，加工方便，适于批量生产。

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

1.一种双通道轴向磁路磁阻式旋转变压器，包括：定子和转子，其特征在于，所述定子包括定子机壳、精机定子铁芯、精机定子励磁绕组、精机定子信号绕组、粗机定子铁芯、粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组；所述转子包括转子非导磁支架、粗机转子导磁波环和精机转子导磁波环，所述精机定子铁芯和粗机定子铁芯相互平行设置固定于定子机壳内，精机定子铁芯上绕有精机定子励磁绕组和精机定子信号绕组；粗机定子铁芯上绕有粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组；精机定子励磁绕组和精机定子信号绕组所在平面、粗机定子激励绕组和粗机定子信号绕组所在平面均呈现正交状态，励磁磁路采用轴向磁路结构；转子的外表面与定子的内表面之间设有均匀的气隙。

2.根据权利要求1所述的轴向磁路双通道磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述转子由五段组成，上中下三段即转子非导磁支架由非导磁性材料制成，中间两段即粗机转子导磁波环和精机转子导磁波环均由导磁性材料构成，导磁性材料轮廓沿转子轴向随转子位置呈现波纹变化，上段即精机转子导磁波环波纹状波峰个数等于精机极对数P1，下段即粗机转子导磁波环波纹状波峰个数等于粗机极对数1。

3.根据权利要求1所述的轴向磁路双通道磁阻式旋转变压器，其特征在于，还包括第一线圈和第二线圈；所述第一线圈和第二线圈采用集中绕组或是短距双层绕组。

4.根据权利要求1所述的轴向磁路双通道磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述精机定子铁芯和粗机定子铁芯分别由三块铁芯组装而成，所述的铁芯轴向方向上分为三段：第一段、第二段和第三段；所述第一段和第二段的结构完全相同，第一段和第二段的内表面沿轴向开有多个通槽，且相邻两个通槽之间设有凸齿，其内表面沿圆周方向均匀排列有4PN个凸齿，在第一段和第二段上分别缠绕着所述正交信号绕组A相和B相的线圈，2PN个A相线圈构成P对极结构，N极下的N个线圈正向串联，S极下的N个线圈正向串联；第三段为环形硅钢片叠成的铁心，其与第一段和第二段的间隙中放置环形的所述励磁绕组，与所述信号绕组构成正交结构。