CN102842412A - 共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，属于旋转变压器技术领域。本发明由一套励磁绕组，共用同一磁路，产生粗精两组正余弦位置信号。定子粗机为多极绕组，精机为一对极绕组。既可以提供一对极绝对位置信号，也可以提供精度高的多极位置信号。本发明采用轴向磁路磁阻式旋变结构。可以根据需要自由调整体积以及直径的大小。本发明的结构紧凑、简单，不仅具有极强的抗震能力，而且使得电势恒定分量减小，进而最大限度地消除由安装偏心等带来的误差。可应用于电动汽车、航空及航天等多种领域。

Description

共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器
技术领域
本发明涉及一种共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，属于旋转变压器技术领域。
背景技术
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。现有的旋转变压器有接触式旋转变压器、带耦合变压器的旋转变压器、游标式旋转变压器等几种，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采用径向磁路变磁阻结构，这种结构的原理是通过改变气隙长度的大小来改变输出信号的电势幅值。当气隙较大时，旋转变压器的输入阻抗与输出阻抗会减小，不仅影响测量的精度，而且会导致负载性能的下降。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
本发明的目的是为解决现有的磁阻式旋转变压器采用径向磁路变磁阻结构，当气隙较大时，旋转变压器的输入阻抗与输出阻抗会减小，不仅影响测量的精度，而且会导致负载性能的下降的问题，进而提供一种共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，包括转子、定子、励磁绕组和信号绕组，所述定子与转子之间具有气隙结构；
所述转子由导磁材料与非导磁材料构成，非导磁材料位于导磁材料的两侧，转子呈圆筒形，导磁材料为一条波浪状的导磁带，沿转子圆周方向分布；
所述定子内侧沿轴向开有4NP个齿槽，沿圆周方向开有一个通槽，且齿槽与通槽的内径相等，在定子内侧形成了4NP对相同的上齿与下齿；
所述励磁绕组设置于定子的通槽中，沿圆周方向分布，信号绕组分为精机信号绕组与粗机信号绕组，精机信号绕组是按次序将定子上每相邻的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，精机信号绕组一和精机信号绕组二分别间隔地缠绕在4P组绕组齿上，粗机信号绕组是按次序将定子上每相邻的NP个上齿与所对应的NP个下齿作为一组绕组齿，共有4组绕组齿，粗机信号绕组一和粗机信号绕组二分别间隔地缠绕在4组绕组齿上，所述精机信号绕组设置于励磁绕组与粗机信号绕组之间。
本发明具有以下优点：本发明共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器采用轴向磁路结构，可以减小旋变直径。因其位置测试精度高、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。本发明的结构紧凑、简单，不仅具有极强的抗震能力，而且使得电势恒定分量减小，进而最大限度地消除由安装偏心等带来的误差。可应用于电动汽车、航空及航天等多种领域。
附图说明
图1为本发明共励磁粗精耦合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为本发明的轴向示意图；
图5为本发明的励磁绕组结构示意图。
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共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，包括：转子1、定子2、励磁绕组8和信号绕组，所述定子2与转子1之间具有气隙3结构；
所述转子1由导磁材料1-1与非导磁材料1-2构成，非导磁材料1-2位于导磁材料1-1的两侧，转子1呈圆筒形，导磁材料1-1为一条波浪状的导磁带，沿转子1圆周方向分布；
所述定子2内侧沿轴向开有4NP个齿槽2-2，沿圆周方向开有一个通槽2-4，且齿槽2-2与通槽2-4的内径相等，在定子2内侧形成了4NP对相同的上齿2-1与下齿2-3；
所述励磁绕组8设置于定子2的通槽2-4中，沿圆周方向分布，信号绕组分为精机信号绕组与粗机信号绕组，精机信号绕组是按次序将定子2上每相邻的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，精机信号绕组一4和精机信号绕组二5分别间隔地缠绕在4P组绕组齿上，粗机信号绕组是按次序将定子2上每相邻的NP个上齿2-1与所对应的NP个下齿2-3作为一组绕组齿，共有4组绕组齿，粗机信号绕组一7和粗机信号绕组二6分别间隔地缠绕在4组绕组齿上，所述精机信号绕组设置于励磁绕组8与粗机信号绕组之间。
所述转子1导磁材料1-1的厚度与所对应的定子2中的齿槽2-2、上齿2-1与下齿2-3的长度相等。
所述定子2与转子1之间的气隙3分布均匀。
所述设置在绕组齿上的精机信号绕组，按同极同相的方式缠绕，且同相同极的信号绕组正向串联，同相异极的信号绕组反向串联，粗机信号绕组的缠绕方式与精机信号绕组相同。
所述缠绕于每对上齿2-1与下齿2-3上的粗机信号绕组一7和粗机信号绕组二6的匝数相等，精机信号绕组一4和精机信号绕组二5的匝数相等。
所述励磁绕组8为集中式绕组，其安放位置平面与定子2上的信号绕组平面相互垂直。
所述转子1导磁部分的铁心为采用磁场优化函数设计的多极带状波纹型的导磁铁心，所形成的导磁材料1-1波纹型结构由两种不同频率的正弦函数合成而来，分布于转子1的中部。
所述定子2为环形硅钢片叠压成的铁心。
工作原理
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：
Figure 2012102648700100002DEST_PATH_IMAGE002
当转子1转过一个机械周期时，转子1与定子2之间的耦合面积会周期性变化P次。因此，转子1与定子2之间的耦合面积可以表示为：
Figure 2012102648700100002DEST_PATH_IMAGE004
于是可得到每一对定子2的上齿2-1与下齿2-3的气隙磁导
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
由于励磁绕组与正余弦信号绕组均采用等匝集中的连接方式，且相互垂直设置，因此粗机正余弦绕组各自的磁链可以表示为：
精机正余弦绕组各自的磁链可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为每对定子2齿上粗机信号绕组的匝数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为每对定子2齿上精机信号绕组的匝数。
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，化简后可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
因此，粗机信号绕组一与粗机信号绕组二的输出电势可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
精机信号绕组一与精机信号绕组二的输出电势可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为粗机信号绕组感应电势幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为精机信号绕组感应电势幅值。
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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，包括转子（1）、定子（2）、励磁绕组（8）和信号绕组，所述定子（2）与转子（1）之间具有气隙（3）结构；
所述转子（1）由导磁材料（1-1）与非导磁材料（1-2）构成，非导磁材料（1-2）位于导磁材料（1-1）的两侧，转子（1）呈圆筒形，导磁材料（1-1）为一条波浪状的导磁带，沿转子（1）圆周方向分布；
所述定子（2）内侧沿轴向开有4NP个齿槽（2-2），沿圆周方向开有一个通槽（2-4），且齿槽（2-2）与通槽（2-4）的内径相等，在定子（2）内侧形成了4NP对相同的上齿（2-1）与下齿（2-3）；
所述励磁绕组（8）设置于定子（2）的通槽（2-4）中，沿圆周方向分布，信号绕组分为精机信号绕组与粗机信号绕组，精机信号绕组是按次序将定子（2）上每相邻的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，精机信号绕组一（4）和精机信号绕组二（5）分别间隔地缠绕在4P组绕组齿上，粗机信号绕组是按次序将定子（2）上每相邻的NP个上齿（2-1）与所对应的NP个下齿（2-3）作为一组绕组齿，共有4组绕组齿，粗机信号绕组一（7）和粗机信号绕组二（6）分别间隔地缠绕在4组绕组齿上，所述精机信号绕组设置于励磁绕组（8）与粗机信号绕组之间。
2.根据权利要求1所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述转子（1）导磁材料（1-1）的厚度与所对应的定子（2）中的齿槽（2-2）、上齿（2-1）与下齿（2-3）的长度相等。
3.根据权利要求1所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述定子（2）与转子（1）之间的气隙（3）分布均匀。
4.根据权利要求1所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述设置在绕组齿上的精机信号绕组，按同极同相的方式缠绕，且同相同极的信号绕组正向串联，同相异极的信号绕组反向串联，粗机信号绕组的缠绕方式与精机信号绕组相同。
5.根据权利要求1或4所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述缠绕于每对上齿（2-1）与下齿（2-3）上的粗机信号绕组一（7）和粗机信号绕组二（6）的匝数相等，精机信号绕组一（4）和精机信号绕组二（5）的匝数相等。
6.根据权利要求1或4所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述励磁绕组（8）为集中式绕组，其安放位置平面与定子（2）上的信号绕组平面相互垂直。
7.根据权利要求1或2所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述转子（1）导磁部分的铁心为采用磁场优化函数设计的多极带状波纹型的导磁铁心，所形成的导磁材料（1-1）波纹型结构由两种不同频率的正弦函数合成而来，分布于转子（1）的中部。
8.根据权利要求1所述的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于，所述定子（2）为环形硅钢片叠压成的铁心。
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