CN104200974B - 消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法 - Google Patents

Abstract

消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，属于变压器技术领域。以解决现有的磁阻式旋转变压器不具备将绝对位置检测、高精确度、伸缩体积、紧凑结构等特点集于一身的问题。定子内环面的中部加工有一环形槽，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；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；粗机正弦信号绕组、粗机余弦信号绕组、精机正弦信号绕组及精机余弦信号绕组分别按正弦规律并以单层绕线方式缠绕于2NP对定子齿上且分别设置在不同层上。本发明可应用于多种工业领域。

Description

消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法

技术领域

本发明涉及一种粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，属于变压器技术领域。

背景技术

磁阻式旋转变压器是近年来快速发展的一种旋转变压器，目前广泛应用的磁阻式旋转变压器是不等气隙磁阻式旋转变压器，还有一种轴向磁场磁阻式旋转变压器也已经被研究出来，并取得很大的进展，适用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。而上述的磁阻式旋转变压器不具备将绝对位置检测、高精确度、伸缩体积、紧凑结构等特点集于一身的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，以解决现有的磁阻式旋转变压器不具备将绝对位置检测、高精确度、伸缩体积、紧凑结构等特点集于一身的问题。

实现上述目的，采取的技术方案如下：

消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器，包括定子、转子、励磁绕组、粗机正弦信号绕组、粗机余弦信号绕组、精机正弦信号绕组及精机余弦信号绕组，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，上定子齿、下定子齿及环形槽的轴向长度均相等；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，励磁绕组为集中绕组，励磁绕组与定子同心设置；粗机正弦信号绕组、粗机余弦信号绕组、精机正弦信号绕组及精机余弦信号绕组分别按正弦规律并以单层绕线方式缠绕于2NP对定子齿上且分别设置在不同层上。

本发明的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的方法包括下述步骤：

步骤一、对于粗机正弦信号绕组而言，任意选取一个过定子的轴线且不与定子齿相交的平面一，并以该平面一为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿按照粗机正弦相M均分成两组；第一组中的相邻的NP对定子齿沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP对定子齿沿顺时针方向绕线；

步骤二、对于粗机余弦信号绕组而言，任意选取一个过定子的轴线且不与定子齿相交的平面二，并以该平面二为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿按照粗机余弦相均分成两组；第一组中的相邻的NP对定子齿沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP对定子齿沿顺时针方向绕线；粗机余弦信号绕组与粗机正弦信号绕组相位上相差90°电角度；

步骤三、对于精机正弦信号绕组而言，以平面一为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿均分为P部分，由平面一的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N对定子齿按照精机正弦相均分为两组，第一组相邻的N对定子齿沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿沿顺时针方向绕线；精机正弦信号绕组其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；

步骤四、对于精机余弦信号绕组而言，以平面三为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿均分为P部分，由平面三的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N对定子齿按照精机余弦相F均分为两组，第一组相邻的N对定子齿沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿沿顺时针方向绕线；精机余弦信号绕组其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；精机余弦信号绕组与精机正弦信号绕组相位上相差90°电角度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器是目前精度最高并可以提供绝对位置信息的旋转变压器。定子粗机部分及精机部分的励磁方式采用同一套绕组实现，粗机正、余弦信号绕组与精机正、余弦信号绕组共用同一磁路，可以充分利用铁心，大幅度减小体积。

2、本发明的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器具有更紧凑结构、更高可靠性，因其减少了耦合变压器，转子上没有绕组，适用于伺服系统的速度以及位置传感器。

3、本发明的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器是一种体积小、精度高、可靠性高的高精度位置传感器，它将绝对位置检测、高精确度、伸缩体积、紧凑结构等特点集于一身，可应用于多种工业领域。

4、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。

附图说明

图1为消谐波粗精耦合轴向磁路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为消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器的粗机部分与精机部分的正余弦信号绕组匝数分布图，图中E指代精机正弦相，F指代精机余弦相，M指代粗机正弦相，G指代粗机余弦相，黑色区域表示为所对应信号绕组的匝数值；

图5为消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器的轴向剖面图；

图6为励磁绕组的结构示意图。

图中公开的部件名称及标号如下：

转子1、导磁带1-1、非导磁部分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、粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6、精机余弦信号绕组7、平面一8、平面二9、平面三10、励磁绕组11、定子长槽12、定子齿13。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图6所示，消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器，包括定子2、转子1、励磁绕组11、粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6及精机余弦信号绕组7，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12和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽12沿定子2内环面均布设置，相邻两个定子长槽12之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽12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12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，上定子齿2-1、下定子齿2-3及环形槽2-2的轴向长度均相等；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13；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11放置于定子2的环形槽2-2内，励磁绕组11为集中绕组，励磁绕组11与定子2同心设置；粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6及精机余弦信号绕组7分别按正弦规律并以单层绕线方式缠绕于2NP对定子齿13上且分别设置在不同层上(即分设在四层上)。

优选的是：如图1所示，粗机余弦信号绕组5、粗机正弦信号绕组4、精机余弦信号绕组7及精机正弦信号绕组6由里层至外层依次设置。

如图3所示，所述的转子1圆周侧壁的中部设有由两种不同频率的正弦波形合成的导磁带1-1，转子1上除导磁带1-1以外的余下部分为非导磁部分1-2。起固定导磁带1-1的作用。

所述的导磁带1-1的铁心为(采用磁场优化函数设计的)两种不同频率的正弦波形的导磁铁心。

具体实施方式二：如图1、图4所示，具体实施方式一所述的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的方法包括下述步骤：

步骤一、对于粗机正弦信号绕组4而言，任意选取一个过定子2的轴线且不与定子齿13相交的平面一8，并以该平面一8为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿13按照粗机正弦相M均分成两组；第一组中的相邻的NP对定子齿13沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP对定子齿13沿顺时针方向绕线；

步骤二、对于粗机余弦信号绕组5而言，任意选取一个过定子2的轴线且不与定子齿13相交的平面二9，并以该平面二9为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿13按照粗机余弦相G均分成两组；第一组中的相邻的NP对定子齿13沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP对定子齿13沿顺时针方向绕线；粗机余弦信号绕组5与粗机正弦信号绕组4相位上相差90°电角度；

步骤三、对于精机正弦信号绕组6而言，以平面一8为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿13均分为P部分，由平面一8的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N对定子齿13按照精机正弦相E均分为两组，第一组相邻的N对定子齿13沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿13沿顺时针方向绕线；精机正弦信号绕组6其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；

步骤四、对于精机余弦信号绕组7而言，以平面三10为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿13均分为P部分，由平面三10的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N对定子齿13按照精机余弦相F均分为两组，第一组相邻的N对定子齿13沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿13沿顺时针方向绕线；精机余弦信号绕组7其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；精机余弦信号绕组7与精机正弦信号绕组6相位上相差90°电角度。

具体实施方式三：如图1所示，具体实施方式二所述的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，

粗机正弦信号绕组4的匝数分布为

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

粗机余弦信号绕组5的匝数分布为

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

精机正弦信号绕组6的匝数分布为

$Z_3=K_3\·\sin \left(\frac{A_3\mathrm{\π}}{N}\right)$

精机余弦信号绕组7的匝数分布为

$Z_4=K_4\·\sin (\frac{A_4\mathrm{\π}}{N}-\frac{\mathrm{\π}}{2P})$

式中，Z₁、Z₁、Z₃、Z₄分别为一个定子齿13上粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6、精机余弦信号绕组7的匝数，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄的值要求取整；Z₁、Z₂、Z₃、Z₄为负值时表示反向绕线；K₁、K₂、K₃、K₄分别为预取粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6、精机余弦信号绕组7匝数的幅值，K₁、K₂、K₃、K₄的单位为匝；A₁、A₂分别为粗机正弦信号绕组4和粗机余弦信号绕组5中距平面一8和平面二9的定子齿13对数；A₃、A₄分别为精机正弦信号绕组4和精机余弦信号绕组5中距平面一8和平面三10的定子齿13对数；A₁与A₂的取值范围均为0～2NP，A₃与A₄的取值范围均为0～2N。

Claims (2)

1.消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，包括定子(2)、转子(1)、励磁绕组(11)、粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)及精机余弦信号绕组(7)，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(12)和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽(12)沿定子(2)内环面均布设置，相邻两个定子长槽(12)之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽(12)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(12)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(13)；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(11)放置于定子(2)的环形槽(2-2)内，励磁绕组(11)与定子(2)同心设置；粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)及精机余弦信号绕组(7)分别按正弦规律并以单层绕线方式缠绕于2NP对定子齿(13)上且分别设置在不同层上,其特征是：所述的方法包括下述步骤：

步骤一、对于粗机正弦信号绕组(4)而言，任意选取一个过定子(2)的轴线且不与定子齿(13)相交的平面一(8)，并以该平面一(8)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(13)按照粗机正弦相(M)均分成两组；第一组中的相邻的NP对定子齿(13)沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP对定子齿(13)沿顺时针方向绕线；

步骤二、对于粗机余弦信号绕组(5)而言，任意选取一个过定子(2)的轴线且不与定子齿(13)相交的平面二(9)，并以该平面二(9)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(13)按照粗机余弦相(G)均分成两组；第一组中的相邻的NP对定子齿(13)沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP对定子齿(13)沿顺时针方向绕线；粗机余弦信号绕组(5)与粗机正弦信号绕组(4)相位上相差90°电角度；

步骤三、对于精机正弦信号绕组(6)而言，以平面一(8)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(13)均分为P部分，由平面一(8)的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N对定子齿(13)按照精机正弦相(E)均分为两组，第一组相邻的N对定子齿(13)沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿(13)沿顺时针方向绕线；精机正弦信号绕组(6)其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；

步骤四、对于精机余弦信号绕组(7)而言，以平面三(10)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(13)均分为P部分，由平面三(10)的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N对定子齿(13)按照精机余弦相(F)均分为两组，第一组相邻的N对定子齿(13)沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿(13)沿顺时针方向绕线；精机余弦信号绕组(7)其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；精机余弦信号绕组(7)与精机正弦信号绕组(6)相位上相差90°电角度。

2.根据权利要求1所述的消谐波粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，其特征是：

粗机正弦信号绕组(4)的匝数分布为

粗机余弦信号绕组(5)的匝数分布为

精机正弦信号绕组(6)的匝数分布为

精机余弦信号绕组(7)的匝数分布为

式中，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄分别为一个定子齿(13)上粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)、精机余弦信号绕组(7)的匝数，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄的值要求取整；Z₁、Z₂、Z₃、Z₄为负值时表示反向绕线；K₁、K₂、K₃、K₄分别为预取粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)、精机余弦信号绕组(7)匝数的幅值，K₁、K₂、K₃、K₄的单位为匝；A₁、A₂分别为粗机正弦信号绕组(4)和粗机余弦信号绕组(5)中距平面一(8)和平面二(9)的定子齿(13)对数；A₃、A₄分别为精机正弦信号绕组(4)和精机余弦信号绕组(5)中距平面一(8)和平面三(10)的定子齿(13)对数；A₁与A₂的取值范围均为0~2NP，A₃与A₄的取值范围均为0~2N。