CN105304301B - 可轴向移动的无接触式旋转变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转变压器技术领域，尤其涉及一种无接触式旋转变压器。可轴向移动的无接触式旋转变压器，包括旋变定子和旋变转子、环变定子铁芯和环变定子绕组、环变转子铁芯和环变转子绕组，旋变定子铁芯轴向长度和旋变转子铁芯轴向长度不同。环变定子铁芯的轴向长度和环变转子铁芯的轴向长度不同。由于采用了上述技术方案，本发明设计的旋转变压器，在允许除做旋转运动外，同时可在一定范围内做轴向运动，而其参数和性能保持不变。

Description

可轴向移动的无接触式旋转变压器

技术领域

本发明涉及旋转变压器技术领域，尤其涉及一种无接触式旋转变压器。

背景技术

在一般的旋转运动中，运动部件在轴承的支撑下，只做旋转运动。静止部分和转动部分之间轴向的相对位置是不做变化的。但在某些特殊场合下，除了要求运动部件做旋转运动之外，还需做轴向运动。这就要求与之相配的速度和位置传感元件，也必须有这样功能。旋转变压器是用在做旋转运动时的角度位置和旋转速度的传感器。传统旋转变压器的结构和原理只适应做旋转运动，而不能同时允许轴向移动，否则参数和性能会发生变化、变坏，而无法起到应有的作用。

旋转变压器一般包括磁阻式旋转变压器和无接触式旋转变压器，而早期的有刷旋变目前已被淘汰，退出应用。与磁阻式旋转变压器相比较，无接触式旋转变压器结构复杂，构成可轴向运动的形式难度更大、更加不易。磁阻式旋转变压器的转子上没有绕组，输出、输入绕组都在同一套定子槽内。但无接触式旋转变压器有两套磁路和绕组系统，一套磁路和绕组系统与传统的旋转变压器一样，称为旋变系统；还有一套同心式的环形变压器，同样有自己独立的定转子磁路和绕组系统，称为环变系统。通常形式的无接触式旋转变压器如图1所示，其中A表示旋变部分，B表示环变部分。一般的无接触式旋转变压器通常包括旋变转子1、机壳2、旋变定子3、引出线4、引线塞5、环变定子铁芯6、环变定子绕组7、环变转子绕组8、环变转子铁芯9、转轴10。图2是无接触旋转变压器的原理图，其中C表示旋变部分，D表示环变部分。无接触式的转子上虽然有绕组，但其电信号的输入、输出是通过环变实现的，这也就实现了无接触。

从图1可以看出，旋转变压器无法做轴向运动，如果有了轴向位移，定 转子之间磁路无法对齐，磁路耦合情况发生变化，电磁参数和性能都会发生变化，定转子之间无法感应。尤其是环变部分，由于环变轴向磁路较窄，更难以工作。如图3所示，定转子的磁中心线不相重和，这时随着转子轴向位移的加大，彼此相覆盖的面积逐渐减小。与定转子轴向铁芯中心相重合时相比，由于耦合面积减小，输出信号减小、电气误差变大，其他电磁参数也要相应发生变化。若轴向变化过大，以至于彼此脱离，那时就没有耦合了，更无法工作。可以看出，当存在图3这种在有轴向偏移时，如何确定铁芯轴向长度的尺寸和结构，使之仍实现彼此铁芯的覆盖面积不变、磁路计算理论尺寸不变，以保持电磁参数不变、性能不变，是解决问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可轴向移动的无接触式旋转变压器，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

可轴向移动的无接触式旋转变压器，包括旋变定子和旋变转子、环变定子铁芯和环变定子绕组、环变转子铁芯和环变转子绕组；

所述旋变定子铁芯轴向长度和所述旋变转子铁芯轴向长度不同；

所述环变定子铁芯的轴向长度和所述环变转子铁芯的轴向长度不同；

旋变部分：

首先由电磁计算确定旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度，而较长一方铁芯采用如下方式确定：

L_C＝L_D+L_X+(2～4)δ (1)

其中，L_C为旋变定子或旋变转子中较长一方铁芯轴向长度；

L_D为旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度；

L_X为轴向运动时的最大距离；

δ为气隙长度；

环变部分：

首先由电磁计算确定环变定子铁芯一侧端环轴向宽度b_hs、环变转子置放绕组的空间宽度b_hrr，则：

环变定子置放绕组的空间宽度b_hsr：b_hsr＝b_hrr+L_X (2)

环变定子轴向总长度L_hs：L_hs＝b_hsr+2b_hs (3)

环变转子轴向总长度L_hr：L_hr＝2L_X+b_hrr+2b_hs+Δ (4)

其中，L_X为轴向运动时的最大距离；

Δ＝(1～2)mm。

本发明考虑到整机应用中，由于结构、尺寸配合及加工精度的问题，可能造成轴向尺寸不精确。所以取△作为加长裕度，以作补偿。

当所述旋变定子铁芯轴向长度和所述旋变转子铁芯轴向长度不同时，较短一方铁芯轴向长度可以根据电磁参数及结构需要，采用传统方法计算，来确定长度。同理，当所述环变定子铁芯的轴向长度和所述环变转子铁芯的轴向长度不同时，环变定子铁芯一侧端环轴向宽度b_hs、环变转子置放绕组的空间宽度b_hrr也由常规电磁设计确定。

在所有轴向运动中，较长一方铁芯必须完全覆盖较短一方铁芯，本发明采用上述方式确定铁芯长度，使得在有轴向偏移时，定子和转子彼此覆盖的面积仍能保持不变，同时解决由于轴向偏移带来的计算中问题，确定合适的、正确的几何尺寸，实现性能不变、参数不变。

采用上述原则的旋转变压器，作为角度、速度传感器使用时，允许除做旋转运动外，同时可在一定范围内做轴向运动，而其参数和性能保持不变。

在电磁计算中，有效铁芯长度是指参与计算的长度，不同于一般实际的铁芯长度，有效铁芯长度必须考虑到磁场的端部边缘效应，本发明采用如下方法计算有效铁芯长度：

旋变铁芯长度L_xg：L_xe＝L_D+3δ (5)

其中，L_D为旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度；

δ为气隙长度；

环变铁芯长度L_hg：L_he＝b_hs+3δ (6)

其中，b_hs为环变定子铁芯一侧端环轴向宽度。

在设计中，定子或转子铁芯长度的确定是关键。在电磁设计中，和气隙及铁芯长度有关的参数是计算有效铁芯长度。定转子之间的气隙的径向尺寸称作为气隙长度，在作电磁计算时，应考虑到气隙的边缘效应，所以不能简 单的把几何上的铁芯长度尺寸当作电磁计算参数。本发明的电磁设计方法，能解决由于轴向偏移带来的计算问题。

在所述旋变定子铁芯轴向长度和所述旋变转子铁芯轴向长度不同时，可以根据具体情况选择长短，但是优选采用所述旋变转子铁芯轴向长度长于所述旋变定子铁芯轴向长度。

在所述环变定子铁芯的轴向长度和所述环变转子铁芯的轴向长度不同时，环变定子置放绕组的空间宽度长于环变转子置放绕组的空间宽度，以适应磁路需要。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明设计的旋转变压器，在允许除做旋转运动外，同时可在一定范围内做轴向运动，而其参数和性能保持不变。

附图说明

图1为常规形式的无接触式旋转变压器的内部结构示意图；

图2为无接触式旋转变压器的原理图；

图3为常规形式的无接触式旋转变压器定转子之间有轴向移动时位置变化情况示意图；

图4a)为定转子铁芯轴向中心线一致时的位置示意图；

图4b)为转子轴向向左移动最大时的位置示意图；

图4c)为转子轴向向右移动最大时的位置示意图；

图5为无接触式旋转变压器在采用长转子时的结构尺寸示意图；

图6为定转子铁芯不等时的磁场示意图。

具体实施方式

为了本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照图4至图6，可轴向移动的无接触式旋转变压器，包括旋变定子3和旋变转子1、环变定子铁芯6和环变定子绕组7、环变转子铁芯9和环变转子绕组8。如图4所示，图4a)-c)的旋变转子1铁芯轴向长度长于旋变定子3 铁芯轴向长度，环变转子铁芯9的轴向长度长于环变定子铁芯6的轴向长度，环变定子绕组7的空间宽度长于环变转子绕组8的空间宽度。

在设计中，定子和转子铁芯长度的确定是关键。在电磁设计中，和气隙及铁芯长度有关的参数是计算有效铁芯长度。定转子之间的气隙的径向尺寸作为气隙δ，在作电磁计算时，应考虑到气隙的边缘效应，所以不能简单把几何上的铁芯长度尺寸当作电磁计算参数。如图6所示，旋变主气隙磁场11、环变主气隙磁场12、旋变边缘气隙磁场13、环变边缘气隙磁场14。边缘效应对磁路计算的影响相当繁复，据分析计算本发明采用如下方法计算有效铁芯长度，具有足够的精确度：

旋变铁芯长度L_xg：L_xe＝L_D+3δ (5)

其中，L_D为旋变中较短一方铁芯轴向长度；

δ为气隙长度；

环变铁芯长度L_hg：L_he＝b_hs+3δ (6)

其中，b_hs为环变定子铁芯一侧端环轴向宽度。

除了上述计算有效铁芯长度的取值问题之外，还必须考虑余下的几个相关尺寸之间的关系。如图5所示，旋变部分：Lx为轴向运动的最大距离，旋变定子作为较短一方铁芯长度L_S，旋变转子作为较长一方铁芯长度L_R，旋变定转子之间的气隙长度为δ。环变部分：Lx为轴向运动的最大距离，b_hr为环变转子铁芯一侧端环轴向宽度，b_hrr为环变转子置放绕组的空间宽度，b_hs为环变定子铁芯一侧端环轴向宽度，b_hsr为环变定子置放绕组的空间宽度，L_hs为环变定子总的轴向长度，L_hr为环变转子总的轴向长度，δ为环变定转子之间的气隙长度，且取为和旋变气隙一样长度。

本发明采用如下方式计算其余几个相关尺寸：

1)根据电磁参数，采用传统方式计算确定旋变定子和旋变转子中较短一方铁芯长度，计算确定方法与传统方法一致，在此不再详述。

根据电磁参数，采用传统方式计算确定环变定子铁芯一侧端环轴向宽度b_hs、环变转子置放绕组的空间宽度b_hrr，计算确定方法与传统方法一致，在此不再详述。

根据实际需要确定轴向运动的最大距离Lx、环变定转子之间的气隙长度 和旋变气隙长度δ一致。

2)旋变部分：较长一方铁芯采用如下方式确定：L_C＝L_D+L_X+(2～4)δ其中，L_C为旋变定子或旋变转子中较长一方铁芯轴向长度；

L_D为旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度；

环变部分：

环变定子置放绕组的空间宽度b_hsr：b_hsr＝b_hrr+L_X

环变定子轴向总长度L_hs：L_hs＝b_hsr+2b_hs

环变转子轴向总长度L_hr：L_hr＝2L_X+b_hrr+2b_hs+Δ

其中，Δ＝(1～2)mm。

实施例一：

一做旋转运动系统，同时要在轴向做30mm的运动，需要一个既能精确传感旋转的角度信号又能做轴向30mm运动的无接触式旋转变压器。运动系统的控制电机是4对极，所以以本发明为基础设计的无接触式旋转变压器也设计成4对极。

1)由电磁设计决定，旋变定子铁芯轴向长度L_D取5mm，气隙δ取为0.65mm，L_X为30mm，环变定子铁芯一侧端环轴向宽度b_hs为4mm，环变转子绕组的置放空间宽度b_hrr为5mm，Δ为1mm，这样：

旋变转子铁芯轴向长度L_C：L_C＝5+30+2×0.65＝36.3(mm)

环变定子绕组的置放空间宽度b_hsr：b_hsr＝b_hrr+L_X＝35(mm)

环变定子轴向总长度Lhs：Lhs＝bhsr+2bhs＝43(mm)

环变转子轴向总长度Lhr：Lhr＝2LX+bhrr+2bhs+Δ＝74(mm)

2)旋变铁芯长度L_xg：L_xe＝L_D+3δ＝5+3×0.65＝6.95(mm)

环变铁芯长度L_hg：L_he＝b_hs+3δ＝4+3×0.65＝5.95(mm)

以上显示和描述本发明的基本原理和主要特征本发明的优点。本行业的技术人员应该了解本发明不受上述使用方法的限制，上述使用方法和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护本发明范围内本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.可轴向移动的无接触式旋转变压器，包括旋变定子和旋变转子、环变定子铁芯和环变定子绕组、环变转子铁芯和环变转子绕组，其特征在于，所述旋变定子铁芯轴向长度和所述旋变转子铁芯轴向长度不同；

所述环变定子铁芯的轴向长度和所述环变转子铁芯的轴向长度不同；

旋变部分：

首先由电磁计算确定旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度，而较长一方铁芯采用如下方式确定：

L_C＝L_D+L_X+(2～4)δ (1)

其中，L_C为旋变定子或旋变转子中较长一方铁芯轴向长度；

L_D为旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度；

L_X为轴向运动时的最大距离；

δ为气隙长度；

环变部分：

首先由电磁计算确定环变定子铁芯一侧端环轴向宽度b_hs、环变转子置放绕组的空间宽度b_hrr，则：

环变定子置放绕组的空间宽度b_hsr：b_hsr＝b_hrr+L_X (2)

环变定子轴向总长度L_hs：L_hs＝b_hsr+2b_hs (3)

环变转子轴向总长度L_hr：L_hr＝2L_X+b_hrr+2b_hs+Δ (4)

其中，L_X为轴向运动时的最大距离；

Δ＝(1～2)mm；

采用如下方法计算有效铁芯长度：

旋变铁芯长度：L_xe＝L_D+3δ (5)

其中，L_D为旋变定子或旋变转子中较短一方铁芯轴向长度；

δ为气隙长度；

环变铁芯长度：L_he＝b_hs+3δ (6)

其中，b_hs为环变定子铁芯一侧端环轴向宽度；

在所述旋变定子铁芯轴向长度和所述旋变转子铁芯轴向长度不同时，采用所述旋变转子铁芯轴向长度长于所述旋变定子铁芯轴向长度；

在所述环变定子铁芯的轴向长度和所述环变转子铁芯的轴向长度不同时，环变定子置放绕组的空间宽度长于环变转子置放绕组的空间宽度。