CN103617881B - 带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器 - Google Patents

Abstract

带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，它涉及带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器的技术领域。它的目的是为了解决目前用于测角的旋转变压器所存在的结构复杂、误差较大等问题。它的绕制规则为：按次序将定子上每相邻的N个上齿与对应的N个下齿作为一组绕组齿，组成4P组绕组齿，第一精机正弦信号绕组、第二精机正弦信号绕组和第一精机余弦信号绕组、第二精机余弦信号绕组分别间隔地缠绕在上述4P组绕组齿上，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。本发明的励磁绕组和两相信号绕组的空间位置相差90°，两者的耦合面积小，分布电容小、信号绕组的剩余电势小，从而减小了精度误差。

Description

带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器

技术领域

本发明涉及一种带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器的技术领域。

背景技术

传统的绕线式旋转变压器，由于有滑环或者耦合变压器的存在使得其体积增大、可靠性降低。磁阻式旋转变压器解决了传统绕线式旋变励磁结构复杂的难题，具有无接触、结构简单、耐用可靠的优点，近年来得到了迅速的发展。纵观国内外旋变文献及产品，现有的磁阻式旋转变压器大多采用径向式磁路结构，通过改变气隙长度来改变气隙磁导。当气隙长度变大时，会使旋转变压器的输出阻抗大幅减小，并且受负载影响较大。同时，由于转子使用凸极结构使得径向磁路磁阻式旋转变压器的体积很大，不适合在狭小空间中应用。使应用范围变小。磁阻式旋转变压器属于一种控制电机，主要用于坐标变换、三角运算、角度传输等。它的输出电压随转子转角呈正弦函数或余弦函数变化。传统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。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前用于测角的旋转变压器所存在的结构复杂、误差较大等问题，而提供一种带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器。

所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，是由圆环型转子、定子、第一精机正弦信号绕组、第二精机正弦信号绕组、第一精机余弦信号绕组、第二精机余弦信号绕组、第一励磁绕组、第二励磁绕组、第一粗机正弦信号绕组、第二粗机正弦信号绕组、第一粗机余弦信号绕组、第二粗机余弦信号绕组组成；

圆环型转子套在定子外侧，圆环型转子内圆面与定子的外圆面之间有气隙；所述圆环型转子由第一圆环、第二圆环、第三圆环组成；第一圆环一个端面与第二圆环的一个端面对接，第二圆环的另一个端面与第三圆环的一个端面对接，所述第二圆环为波浪形圆环；第二圆环的材料为导磁材料，第一圆环和第三圆环的材料为非导磁材料；所述定子外表面上沿轴向开有4N个齿槽，定子外表面的中部沿圆周方向上开有一个通环槽，且通环槽底面直径与齿槽的底面直径相同；通过齿槽和通环槽对定子外圆面的分割，而在定子的外面上形成均匀排列4N个上齿与4N个下齿；所述第一精机正弦信号绕组、第二精机正弦信号绕组、第一精机余弦信号绕组和第二精机余弦信号绕组的绕制规则为：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，组成4P组绕组齿，第一精机正弦信号绕组、第二精机正弦信号绕组和第一精机余弦信号绕组、第二精机余弦信号绕组分别间隔地缠绕在上述4P组绕组齿上，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；所述第一粗机正弦信号绕组、第二粗机正弦信号绕组、第一粗机余弦信号绕组和第二粗机余弦信号绕组的的绕制规则为：按次序将定子上每相邻的NP个上齿与所对应的NP个下齿2-4作为一组绕组齿，组成组绕组齿，第一粗机正弦信号绕组、第二粗机正弦信号绕组和第一粗机余弦信号绕组、第二粗机余弦信号绕组分别间隔地缠绕在上述组绕组齿上，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。

本发明的励磁绕组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。由于采用轴向波形优化的方案，可以减小直径，具有体积小的优点。还采用了带有冗余式绕组的结构，在一套线圈绕组出现故障时，依然可以正常工作，适用于航天、航空等高可靠性领域。同时，采用粗精耦合绕组设计方法，可以提供粗机绝对位置信号以及精机高精度位置信号，提高旋变得测量精度。具有高可靠性、低阻抗、体积小、精度高、抗干扰能力强、安装简单、耐高温高湿、防水防尘、抗干扰能力强等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的过轴心仰视剖视结构示意图；

图3是图1中圆环型转子1的仰视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图2、图3所示，它是由圆环型转子1、定子2、第一精机正弦信号绕组4、第二精机正弦信号绕组4-1、第一精机余弦信号绕组5、第二精机余弦信号绕组5-1、第一励磁绕组6、第二励磁绕组6-1、第一粗机正弦信号绕组7、第二粗机正弦信号绕组7-1、第一粗机余弦信号绕组8、第二粗机余弦信号绕组8-1组成；

圆环型转子1套在定子2外侧，圆环型转子1内圆面与定子2的外圆面之间有气隙3；所述圆环型转子1由第一圆环1-1、第二圆环1-2、第三圆环1-3组成；第一圆环1-1一个端面与第二圆环1-2的一个端面对接，第二圆环1-2的另一个端面与第三圆环1-3的一个端面对接，所述第二圆环1-2为波浪形圆环；第二圆环1-2的材料为导磁材料，第一圆环1-1和第三圆环1-3的材料为非导磁材料；所述定子2外表面上沿轴向开有4N个齿槽2-2，定子2外表面的中部沿圆周方向上开有一个通环槽2-3，且通环槽2-3底面直径与齿槽2-2的底面直径相同；通过齿槽2-2和通环槽2-3对定子2外圆面的分割，而在定子2的外面上形成均匀排列4N个上齿2-1与4N个下齿2-4；所述第一精机正弦信号绕组4、第二精机正弦信号绕组4-1、第一精机余弦信号绕组5和第二精机余弦信号绕组5-1的绕制规则为：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2-4作为一组绕组齿，组成4P组绕组齿，第一精机正弦信号绕组4、第二精机正弦信号绕组4-1和第一精机余弦信号绕组5、第二精机余弦信号绕组5-1分别间隔地缠绕在上述4P组绕组齿上，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；所述第一粗机正弦信号绕组7、第二粗机正弦信号绕组7-1、第一粗机余弦信号绕组8和第二粗机余弦信号绕组8-1的的绕制规则为：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2-4作为一组绕组齿，组成4组绕组齿，第一粗机正弦信号绕组7、第二粗机正弦信号绕组7-1和第一粗机余弦信号绕组8、第二粗机余弦信号绕组8-1分别间隔地缠绕在上述4组绕组齿上，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。

所述第二圆环1-2的材料为导磁材料，具体可选用硅钢片叠加结构、钋镆合金或软磁铁氧体等材料。第一圆环1-1和第三圆环1-3的材料为非导磁材料，具体可选用铝合金材料。

所述第二圆环1-2的具体形状为正弦函数形状的导磁圆环。

具体实施方式二：如图1、图2、图3所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述第一精机正弦信号绕组4、第二精机正弦信号绕组4-1、第一精机余弦信号绕组5、第二精机余弦信号绕组5-1、第一励磁绕组6、第二励磁绕组6-1采用内外分布方式设置。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1、图2、图3所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述第一励磁绕组6、第二励磁绕组6-1采用为集中绕组，绕组匝数相同，且线型相同。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。本实施方式能实现第一励磁绕组6与第二励磁绕组6-1电阻相等，从而第一励磁绕组6与第二励磁绕组6-1工作时有相同的性能。

具体实施方式四：如图1、图2、图3所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述上齿2-1和下齿2-4与两者之间的通环槽2-3沿定子2轴向上的长度相等。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：本发明的气隙磁导的变化主要依赖于圆环型转子1与定子2之间的耦合面积随机械角度的变化，具体体现为圆环型转子1的第二圆环1-2导磁材料同定子2的上齿2-1与下齿2-4之间相对位置的变化。圆环型转子1与定子2的耦合面积是圆环型转子1同时与所有上齿2-1与下齿2-4的耦合面积之和，可以表示为：

S＝S_上+S_下

当圆环型转子1转过一个机械周期时，圆环型转子1与定子2之间的耦合面积会周期性变化P次。因此，圆环型转子1与定子2之间的耦合面积可以表示为：

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

于是可得到每一对定子2的上齿2-1与下齿2-4的气隙磁导Λ_i为：

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

由上式可得，每一对定子2的上齿2-1与下齿2-4的激磁磁通量为：

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

由于励磁绕组与精、粗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：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s1}=\underset{i=1}{\overset{NP}{\Σ}}{N}_1{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=2NP+1}{\overset{3NP}{\Σ}}{N}_1{\mathrm{\φ}}_i\\ {\mathrm{\ψ}}_{c1}=\underset{i=NP+1}{\overset{2NP}{\Σ}}{N}_1{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=3NP+1}{\overset{4NP}{\Σ}}{N}_1{\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right.$

精机正余弦绕组各自的磁链可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=2N+1}{\overset{3N}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i+...+\underset{i=4N(P-1)+1}{\overset{4N(P-\frac{3}{4})}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=4N(P-\frac{1}{2})+1}{\overset{4N(P-\frac{1}{4})}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i\\ {\mathrm{\ψ}}_{c2}=\underset{i=N+1}{\overset{2N}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=3N+1}{\overset{4N}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i+...+\underset{i=4N(P-\frac{3}{4})+1}{\overset{4N(P-\frac{1}{2})}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i-\underset{i=4N(P-\frac{1}{4})+1}{\overset{4NP}{\Σ}}{N}_2{\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right.,P\≥2$

式中，N₁为每对定子2齿上粗机正余弦信号绕组的匝数，N₂为每对定子2齿上精机正余弦信号绕组的匝数。

将上式得出的每一对定子2的上齿2-1与下齿2-4的激磁磁通量代入其中，化简后可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s1}=Z_{S1}{N}_1{\mathrm{\φ}}_1\sin NP\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{c1}=Z_{S1}{N}_1{\mathrm{\φ}}_1\cos NP\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s2}=Z_{S2}{N}_2{\mathrm{\φ}}_1\sin N\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{c2}=Z_{S2}{N}_2{\mathrm{\φ}}_1\cos N\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

因此，粗机正弦信号绕组与粗机余弦信号绕组的输出电势可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{s1}=-\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{s1}}{dt}=-Z_{S1}{N}_1\sin NP\mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{d\φ}}_1}{dt}=-e_{m1}\sin NP\mathrm{\θ}\\ e_{c1}=-\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{c1}}{dt}=-Z_{S1}{N}_1\cos NP\mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{d\φ}}_1}{dt}=-e_{m1}\cos NP\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

精机正弦信号绕组与精机余弦信号绕组的输出电势可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{s2}=-\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{s2}}{dt}=-Z_{S2}{N}_2\sin N\mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{d\φ}}_1}{dt}=-e_{m2}\sin N\mathrm{\θ}\\ e_{c2}=-\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{c2}}{dt}=-Z_{S2}{N}_2\cos N\mathrm{\θ}\frac{{\mathrm{d\φ}}_1}{dt}=-e_{m2}\cos N\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

式中，e_m1为粗机正余弦信号绕组感应电势幅值，e_m2为精机正余弦信号绕组感应电势幅值。

Claims (5)

1.带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于它是由圆环型转子(1)、定子(2)、第一精机正弦信号绕组(4)、第二精机正弦信号绕组(4-1)、第一精机余弦信号绕组(5)、第二精机余弦信号绕组(5-1)、第一励磁绕组(6)、第二励磁绕组(6-1)、第一粗机正弦信号绕组(7)、第二粗机正弦信号绕组(7-1)、第一粗机余弦信号绕组(8)、第二粗机余弦信号绕组(8-1)组成；

圆环型转子(1)套在定子(2)外侧，圆环型转子(1)内圆面与定子(2)的外圆面之间有气隙(3)；所述圆环型转子(1)由第一圆环(1-1)、第二圆环(1-2)、第三圆环(1-3)组成；第一圆环(1-1)一个端面与第二圆环(1-2)的一个端面对接，第二圆环(1-2)的另一个端面与第三圆环(1-3)的一个端面对接，所述第二圆环(1-2)为波浪形圆环；第二圆环(1-2)的材料为导磁材料，第一圆环(1-1)和第三圆环(1-3)的材料为非导磁材料；所述定子(2)外表面上沿轴向开有4N个齿槽(2-2)，定子(2)外表面的中部沿圆周方向上开有一个通环槽(2-3)，且通环槽(2-3)底面直径与齿槽(2-2)的底面直径相同；通过齿槽(2-2)和通环槽(2-3)对定子(2)外圆面的分割，而在定子(2)的外面上形成均匀排列4N个上齿(2-1)与4N个下齿(2-4)；所述第一精机正弦信号绕组(4)、第二精机正弦信号绕组(4-1)、第一精机余弦信号绕组(5)和第二精机余弦信号绕组(5-1)的绕制规则为：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(2-4)作为一组绕组齿，组成4P组绕组齿，第一精机正弦信号绕组(4)、第二精机正弦信号绕组(4-1)和第一精机余弦信号绕组(5)、第二精机余弦信号绕组(5-1)分别间隔地缠绕在上述4P组绕组齿上，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；所述第一粗机正弦信号绕组(7)、第二粗机正弦信号绕组(7-1)、第一粗机余弦信号绕组(8)和第二粗机余弦信号绕组(8-1)的的绕制规则为：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(2-4)作为一组绕组齿，组成4组绕组齿，第一粗机正弦信号绕组(7)、第二粗机正弦信号绕组(7-1)和第一粗机余弦信号绕组(8)、第二粗机余弦信号绕组(8-1)分别间隔地缠绕在上述4组绕组齿上，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。

2.根据权利要求1所述的带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于第一精机正弦信号绕组(4)、第二精机正弦信号绕组(4-1)、第一精机余弦信号绕组(5)、第二精机余弦信号绕组(5-1)、第一励磁绕组(6)、第二励磁绕组(6-1)采用内外分布方式设置。

3.根据权利要求1所述的带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于所述第一励磁绕组(6)、第二励磁绕组(6-1)采用为集中绕组，绕组匝数相同，且线型相同。

4.根据权利要求1所述的带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于所述上齿(2-1)和下齿(2-4)与两者之间的通环槽(2-3)沿定子(2)轴向上的长度相等。

5.根据权利要求1所述的带有冗余绕组的共励磁粗精耦合磁阻式旋转变压器，其特征在于所述第二圆环(1-2)的具体形状为正弦函数形状的导磁圆环。