CN104200969A - 单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器及绕组绕线方法 - Google Patents

Abstract

单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器及绕组绕线方法，属于变压器技术领域，以解决现有的多级轴向磁阻式旋转变压器精度低，并且随极对数的增加体积也随之增大问题。定子内环面加工有环形槽，环形槽将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿和2NP个下定子齿，由2NP个上定子齿和2NP个下定子齿构成2NP对定子齿；励磁绕组放置于定子的环形槽内，正、余弦信号绕组以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿上。方法是：任选过定子的轴线且不与定子齿相交的平面，沿顺时针方向将2NP对定子齿按照正、余弦相交替地分成两套2NP对定子齿，将NP对定子齿分为P部分。本发明用于旋转编码器无法正常工作的场合。

Description

单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器及绕组绕线方法

技术领域

本发明涉及一种单层信号绕组旋转变压器及绕组绕线方法，属于变压器技术领域。

背景技术

用于高精度位置测试的磁阻式旋转变压器，其特有的磁路结构可以抵消由偏心等因素引起的误差。现有的磁阻式旋转变压器一般采用定子与转子间的磁阻变化，使输出信号的电势幅值发生变化，其无刷、无耦合变压器式结构，与绕线式转子旋转变压器相比使用可靠，寿命长，广泛应用在高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，如机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷等领域。但是，现有的多级轴向磁阻式旋转变压器不仅精度相对较低，而且随极对数的增加体积也有显著增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器及绕组绕线方法，以解决现有的多级轴向磁阻式旋转变压器精度低，并且随极对数的增加体积也随之增大的问题。

实现上述目的，采取的技术方案如下：

本发明的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，包括定子、转子、励磁绕组、正弦信号绕组以及余弦信号绕组；转子和定子均为圆筒形状，定子与转子之间具有相等的气隙，定子内环面沿轴向加工有2NP个定子长槽和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽沿定子内环面均布设置，相邻两个定子长槽之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽和2NP个定子长齿位于定子内环面的同一圆周上；定子内环面的中部沿圆周方向上加工有一环形槽，且环形槽开设在定子长槽和定子长齿的中部，环形槽将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿和2NP个下定子齿，由2NP个上定子齿和2NP个下定子齿构成2NP对定子齿；其中，N为自然数，N的取值范围为2～15，P为转子极对数；励磁绕组放置于定子的环形槽内，励磁绕组与定子同心设置；正弦信号绕组与余弦信号绕组以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿上。

本发明的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，所述的方法是：

任意选取一个过定子的轴线且不与定子齿相交的平面，并以该平面为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿按照正弦相与余弦相交替地分成两套2NP对定子齿，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿均分为P部分；对于正弦信号绕组而言，从平面开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿分为两组；当N为偶数时，在第一组对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿上沿顺时针方向绕线；余弦信号绕组绕线方式与正弦信号绕组相同，相位上相差90°电角度；其他的P-1部分定子齿的绕线方式与所述的N为偶数时和N为奇数时的绕线方式相同。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于磁阻变化原理的高精度角度传感元件，它的结构简单、紧凑，不仅使得电势恒定分量减小，其特殊的消谐波式单层信号绕组结构还可以最大限度地消除由安装偏心等带来的误差，从而提高了测量精度。

2、本发明在已有的磁阻式旋转变压器的基础上改进了定子上信号绕组的设置以及绕线方式，可以极大限度的削弱函数误差，使测量精度更高，且可以缩小体积，降低材料使用率，非常适合于角度与位置的测量。

3、本发明的方法可以有效地降低谐波误差含量，从而在已有的磁阻式旋转变压器基础上提高测量精度。

综上，本发明的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器及绕组绕线方法可广泛应用在高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，如机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷等领域。

附图说明

图1为本发明的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器的主视结构示意图；

图2为转子的结构示意图；

图3为本发明的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器的轴向剖面图；

图4为本发明的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器的正、余弦信号绕组的匝数分布图，图中E指代的为正弦相，F指代的为余弦相，黑色区域表示为所对应信号绕组的匝数值，所对应信号绕组的匝数值在虚线空白区域为零；

图5为励磁绕组的结构示意图。

图中所示出的部件名称及标号如下：

转子1、导磁区域1-1、非导磁区域1-2、定子2、上定子齿2-1、环形槽2-2、下定子齿2-3、气隙3、正弦信号绕组4、余弦信号绕组5、平面6、定子长槽7、励磁绕组8、定子齿9。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图3及图5所示，单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，包括定子2、转子1、励磁绕组8、正弦信号绕组4以及余弦信号绕组5；转子1和定子2均为圆筒形状，定子2与转子1之间具有相等的气隙3，定子2内环面沿轴向加工有2NP个定子长槽7和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽7沿定子2内环面均布设置，相邻两个定子长槽7之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽7和2NP个定子长齿位于定子2内环面的同一圆周上；定子2内环面的中部沿圆周方向上加工有一环形槽2-2，且环形槽2-2开设在定子长槽7和定子长齿的中部，环形槽2-2将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿2-1和2NP个下定子齿2-3，由2NP个上定子齿2-1和2NP个下定子齿2-3构成2NP对定子齿9；其中，N为自然数，N的取值范围为2～15，P为转子1极对数；励磁绕组8放置于定子2的环形槽2-2内，励磁绕组8与定子2同心设置，励磁绕组8集中绕组；正弦信号绕组4与余弦信号绕组5以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿9上。

优选的是：上定子齿2-1的轴向长度、下定子齿2-3的轴向长度与环形槽2-2槽宽相等。可以更好的形成定子2与转子1之间的耦合面积，从而使输出的信号绕组的反电动势效果更好。

具体实施方式二：如图1、图2所示，具体实施方式一所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，所述的转子1圆周侧壁的中部呈正弦形区域为导磁区域1-1，转子1上除导磁区域1-1以外的余下区域为非导磁区域1-2。所述的导磁区域1-1的材料为钋镆合金或软磁铁氧体材料，或者为叠加的硅钢片；所述的非导磁区域1-2的材料为铝合金。如此设计，改变了定子齿9与转子1的耦合面积，从而实现了气隙磁导的周期性变化。

圆筒形状的转子1起到支撑正弦形导磁区域1-1的作用。正弦形导磁区域1-1有P对波峰和P对波谷。

所述的正弦信号绕组4的总匝数与余弦信号绕组5总匝数相等。保证正、余弦信号绕组的输出电势幅值相等。

具体实施方式三：如图1、图4所示，一种具体实施方式二所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，两相信号绕组为集中绕组绕组，线型相同，且两相信号绕组按照正弦规律变化；所述的方法是：

任意选取一个过定子2的轴线且不与定子齿9相交的平面6，并以该平面6为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿9按照正弦相E与余弦相F交替地分成两套2NP对定子齿9，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿9均分为P部分；对于正弦信号绕组4而言，从平面6开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿9分为两组；当N为偶数时，在第一组对定子齿9上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿9上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组对定子齿9上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿9上沿顺时针方向绕线；余弦信号绕组5绕线方式与正弦信号绕组4相同，相位上相差90°电角度；其他的P-1部分定子齿9的绕线方式与所述的N为偶数时和N为奇数时的绕线方式相同；

对于正弦信号绕组4而言，匝数为

$Z_1=K_1\·\sin \left(\frac{A_1\mathrm{\π}}{2N}\right)$

对于余弦信号绕组5而言，匝数为

$Z_2=K_2\·\sin (\frac{A_2\mathrm{\π}}{2N}-\frac{\mathrm{\π}}{2P})$

式中，Z₁为一对定子齿9上正弦信号绕组4的匝数，Z₂为一个定子齿9上余弦信号绕组5的匝数，Z₁、Z₂的值需要取整，Z₁、Z₂为负值时表示反向绕线；K₁为预取正弦信号绕组4匝数的幅值；K₂为预取余弦信号绕组5匝数的幅值，K₁、K₂的单位为匝；A₁为距平面6的正弦相定子齿的对数，A₂为距平面6的余弦相定子齿的对数，A₁、A₂取值范围均为0～4N。

Claims (6)

1.一种单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，包括定子(2)、转子(1)、励磁绕组(8)、正弦信号绕组(4)以及余弦信号绕组(5)；转子(1)和定子(2)均为圆筒形状，其特征是：定子(2)与转子(1)之间具有相等的气隙(3)，定子(2)内环面沿轴向加工有2NP个定子长槽(7)和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽(7)沿定子(2)内环面均布设置，相邻两个定子长槽(7)之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽(7)和2NP个定子长齿位于定子(2)内环面的同一圆周上；定子(2)内环面的中部沿圆周方向上加工有一环形槽(2-2)，且环形槽(2-2)开设在定子长槽(7)和定子长齿的中部，环形槽(2-2)将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿(2-1)和2NP个下定子齿(2-3)，由2NP个上定子齿(2-1)和2NP个下定子齿(2-3)构成2NP对定子齿(9)；其中，N为自然数，N的取值范围为2～15，P为转子(1)极对数；励磁绕组(8)放置于定子(2)的环形槽(2-2)内，励磁绕组(8)与定子(2)同心设置；正弦信号绕组(4)与余弦信号绕组(5)以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿(9)上。

2.根据权利要求1所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，其特征是：所述的转子(1)圆周侧壁的中部呈正弦形区域为导磁区域(1-1)，转子(1)上除导磁区域(1-1)以外的余下区域为非导磁区域(1-2)。

3.根据权利要求2所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，其特征是：所述的导磁区域(1-1)的材料为钋镆合金或软磁铁氧体材料，或者为叠加的硅钢片；所述的非导磁区域(1-2)的材料为铝合金。

4.根据权利要求1或2或3所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器，其特征是：所述的正弦信号绕组(4)的总匝数与余弦信号绕组(5)总匝数相等。

5.一种权利要求4所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，其特征是：所述的方法是：

任意选取一个过定子(2)的轴线且不与定子齿(9)相交的平面(6)，并以该平面(6)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(9)按照正弦相(E)与余弦相(F)交替地分成两套2NP对定子齿(9)，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿(9)均分为P部分；对于正弦信号绕组(4)而言，从平面(6)开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿(9)分为两组；当N为偶数时，在第一细对定子齿(9)上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿(9)上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组对定子齿(9)上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿(9)上沿顺时针方向绕线；余弦信号绕组(5)绕线方式与正弦信号绕组(4)相同，相位上相差90°电角度；其他的P-1部分定子齿(9)的绕线方式与所述的N为偶数时和N为奇数时的绕线方式相同。

6.根据权利要求5所述的单层信号绕组轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，其特征是：

对于正弦信号绕组(4)而言，匝数为

$Z_1=K_1\·\sin \left(\frac{A_1\mathrm{\π}}{2N}\right)$

对于余弦信号绕组(5)而言，匝数为

$Z_2=K_2\·\sin (\frac{A_2\mathrm{\π}}{2N}-\frac{\mathrm{\π}}{2P})$

式中，Z₁为一对定子齿(9)上正弦信号绕组(4)的匝数，Z₂为一个定子齿(9)上余弦信号绕组(5)的匝数，Z₁、Z₂的值需要取整，Z₁、Z₂为负值时表示反向绕线；K₁为预取正弦信号绕组(4)匝数的幅值；K₂为预取余弦信号绕组(5)匝数的幅值，K₁、K₂的单位是匝；A₁为距平面6的正弦相定子齿的对数，A₂为距平面6的余弦相定子齿的对数，A₁、A₂取值范围均为0～4N。