CN109443398A - 一种电机转子位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机转子位置检测装置，具有一个带补偿电路的原边绕组和至少一个带补偿电路的副边绕组，原、副边绕组之间实现磁耦合谐振式无线电能传输；原、副边绕组均包括一线圈模组，该线圈模组由偶数个结构相同的线圈连接而成，线圈轴线均与电机转子旋转轴线平行，通过轴向磁场耦合，相邻线圈绕线方向相反构成交错的N、S磁极，原、副边绕组之间的互感随转子转动周期交变；原边绕组联接有激磁电路，所述激磁电路对原边绕组施加交流激励，并使其工作于谐振状态；所述副边绕组与外部检测电路连接。与现有技术相比，本发明具有空间布置灵活多样、体积小、精度高、适用性强等优点，并同样可实现基于定子侧的信号输入与输出，即转子为无源设计。

Description

一种电机转子位置检测装置

技术领域

本发明属于位置检测与测量技术领域，涉及一种电机转子位置检测装置，特别是涉及一种基于磁耦合谐振式无线电能传输原理的电机转子位置检测装置。该位置检测装置也可用于其他非接触式位置检测。

背景技术

电机位置检测是电机控制的重要参考。

当前电机位置检测中，旋转变压器是其中最重要的一种形式，如图1所示。以常见的磁阻式旋转变压器为例，一般设置一个原边励磁绕组、若干(一般设置正弦和余弦两个)副边检测绕组，励磁绕组与检测绕组之间的磁导随电机转子改变而变化，进而引起两者间的互感改变。这样一来，随着转子旋转，副边的感应电动势幅值呈周期性变化，通过后续分析提取，即可分析得到转子位置信息。

此类旋转变压器具有如下难点和不足：

1)交流励磁激励信号与检测信号的频率选择性不强，容易受谐波等的干扰；

2)气隙的加工精度和导磁材料的性能直接影响转子位置检测的精度。

3)在特殊场合，结构布置比较困难。

因此，需要探索新式位置检测方法和装置。

“磁耦合谐振式无线电能传输”(Magnetically Coupled Resonant WirelessPower Transfer,MCR-WPT)，其特点是两个具有相同谐振频率的子系统之间通过磁场耦合完成能量传输，如图2所示。其中发射线圈和接收线圈分别与各自的补偿电路电气联接，并工作于谐振状态。补偿电路根据实际应用有串联补偿、并联补偿、串并联等多种形式。

发明专利申请201810456503.8中介绍了利用MCR-WPT进行转子位置检测的方法和原理。相比于磁阻式旋转变压器，

1)该发明依据谐振无线电能传输原理实现原、副边绕组的磁耦合，工作于谐振状态，频率选择性好，抗干扰性强；

2)无线电能传输主要通过空气里面的磁场耦合，定转子间距离不再受传统旋转变压器限制，可以省略传感器铁芯等导磁元件，进而消除磁滞损耗，空间布置更灵活多样；

3)转子位置主要通过无铁心耦合的原、副边绕组的互感的改变来体现，而不是通过改变气隙磁阻来体现，精度高，容错性好。

但是该发明并未给出如何具体实现转子位置对WPT的调制和如何实现转子的非接触供电方法。本发明正是针对上述问题提供了创新的技术实现方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于磁耦合谐振式无线电能传输原理的电机转子检测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电机转子位置检测装置，具有一个带补偿电路的原边绕组和至少一个带补偿电路的副边绕组，原、副边绕组均构成具有特定谐振频率的谐振电路，且各谐振电路的谐振频率一致，在所述原、副边绕组之间实现磁耦合谐振式无线电能传输；

所述原、副边绕组均包括一线圈模组，该线圈模组由偶数个结构相同的线圈连接而成，线圈轴线均与电机转子旋转轴线平行，通过轴向磁场耦合，相邻线圈绕线方向相反构成交错的N、S磁极，原、副边绕组之间的互感随转子转动周期交变；

所述原边绕组联接有激磁电路，所述激磁电路对原边绕组施加交流激励，并使其工作于谐振状态；

所述副边绕组与外部检测电路连接。

进一步地，所述原边绕组与电机转子固结并同步旋转；

所述副边绕组固定。

进一步地，所述副边绕组包含两个独立的结构相同、空间电角度相位相差90度的正交绕组。

进一步地，原、副边绕组的偶数个线圈沿周向均匀分布，各所述线圈圆心位于距电机旋转轴线的半径相等的同心圆上。

进一步地，原、副边绕组的所述各线圈均构造成圆形或螺旋线形。

进一步地，原、副边绕组的所述线圈由PCB电路板制成。

进一步地，所述激磁电路包括：一个带补偿电路的激磁绕组和一个带补偿电路的中继绕组，中继绕组与所述原边绕组电气联接，激磁绕组由外部电路供电；

与原边绕组连接的所述激磁绕组和中继绕组均构造成具有特定谐振频率的谐振电路，且各谐振电路的谐振频率均与所述副边绕组一致，从而在所述激磁绕组与中继绕组之间、原边绕组与副边绕组之间实现磁耦合谐振式无线电能传输；

所述激磁绕组和中继绕组的线圈轴线与电机转子旋转轴线平行，通过轴向磁场耦合；

结构上，激磁绕组与中继绕组之间的互感不随转子位置改变，且忽略二者与所述原、副边绕组之间的互感等于零或者足够小以至于忽略。

进一步地，所述激磁绕组、中继绕组的线圈轴线与电机旋转轴线重合。

进一步地，各绕组的所述补偿电路为LC谐振电路。

与现有技术相比，本发明具有频率选择性好，抗干扰性强，空间布置更灵活多样，精度高等优点，具体包括如下有益效果：

1)不同于现有的磁阻式旋转变压器，其磁场耦合方式基于轴向耦合，因此装置轴向结构调整更为灵活，其轴向体积可以进一步缩小，有利于传感器的进一步小型化；

2)相比于发明专利申请(申请号201810456503.8)，本发明原、副边绕组采用偶数个线圈、线圈磁极交错布置并且中心对称周向均布，这样的结构，使得原、副边互感具有随电机转子位置较理想的交变特性，从理论分析可以证明互感无零点钳位、轴向对称性好，电压增益高、对形位误差不敏感。

3)相比于发明专利申请(申请号201810456503.8)，本发明设计了激磁绕组，实现了转子的非接触供电，可实现基于定子侧的信号输入与输出，该装置可适用与转子侧无供电的情况，其适用性更强。

附图说明

图1为现有旋转变压器安装及定子绕组结构图；

图2为MCR-WPT的原理示意图，其中，(2a)为原理模型示意图，(2b)为等效电路模型示意图；

图3为极对数为4的原、副边绕组平面布置结构示意图，其中，(3a)为单极线圈为圆形，(3b)为单极线圈为螺旋线形；

图4为双副边绕组(正、余弦绕组)的结构布置示意图；

图5为本发明实施例1中原、副边电路等效电路原理图；

图6为本发明实施例1中激励电压波形和副边电路的电阻输出电压波形示意图；

图7为带有激磁电路和两个副边绕组的测量装置结构示意图，其中，1-原边绕组，2-副边绕组，3-激磁绕组，4-中继绕组，5-激磁电路，6～10-补偿电路；

图8为本发明实施例2中带一个副边绕组的测量装置结构示意图；

图9为置于转子侧的带有中继绕组的原边绕组或置于定子侧的副边绕组和激磁绕组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种电机转子位置检测装置，如图7所示，具有一个带补偿电路的原边绕组和至少一个带补偿电路的副边绕组，原、副边绕组均构成具有特定谐振频率的谐振电路，且各谐振电路的谐振频率一致，在所述原、副边绕组之间实现磁耦合谐振式无线电能传输，所述副边绕组与外部检测电路连接；所述原边绕组联接有激磁电路，所述激磁电路对原边绕组施加交流激励，并使其工作于谐振状态；所述副边绕组与外部检测电路连接。所述原、副边绕组均包括一线圈模组，即每一绕组包括一补偿电路和一线圈模组，所述线圈模组由偶数个结构相同的线圈连接而成，线圈轴线均与电机转子旋转轴线平行，通过轴向磁场耦合，相邻(单极)线圈绕线方向相反构成交错的N、S磁极，原、副边绕组之间的互感随转子转动周期交变，通过采集互感变化实现电机转子位置的检测。

实施例1：

本实施例重点介绍如何实现转子位置对互感的调制作用。

本实施例装置为一个4对极转子位置检测装置。

原、副边绕组均由结构相同的偶数个线圈连接构成，各线圈沿周向均布，其轴线与电机轴线平行，且线圈圆心均处于距电机旋转轴线相同半径的旋转圆上。图3中的(3a)为符合上述描述的四对极检测装置原、副边绕组绕线结构示意图，其中，各线圈为圆形，设置一个原边绕组用于建立励磁磁场，一个副边绕组，原、副边通过空气耦合且没有铁芯，原边绕组与转子固结，原边和副边之间的互感在(3a)所示结构下随转子位置分别呈近似正弦变化。图3中的(3b)为符合上述描述的另一种四对极检测装置原、副边绕组绕线结构示意图，其中，各线圈为螺旋线形。

双副边绕组，即正、余弦正交绕组布置示意图如图4所示。

如图5所示为等效电路原理图，据此可以分析如下。将原边和副边绕组使用LC串联补偿设计谐振频率，计为：

其中，L_p、L_s分别为原边绕组、副边绕组的自感，C₁、C₂为各部分的补偿电容，此时回路阻抗分别可表示为R₁、R₂。

在原边电路两端施加幅值恒定的频率为f的交流简谐激励电压U，设原副边绕组的互感为M，则根据基尔霍夫定律，不难得出系统的电路方程为：

从而得出

上式表明，输出电压U_m受到了M变化的调制。根据互感M的变化特性，适当地调整参数可以补偿互感变化的线性误差，使得输出电压U_m呈正弦包络的高频信号，亦即被正弦信号调幅的高频载波信号，如图6所示。通过滤波、解调、锁相等方法可以解算得到其中包含的转子信息。

如上分析，所述原、副边线圈分别与各自补偿电路电气联接，构成具有特定谐振频率的谐振电路，且各谐振电路的谐振频率应基本一致进而可实现原、副边绕组之间磁耦合谐振式无线电能传输。

原边通以特定频率交变电流，实现原、副边之间的无线电能传输，此时原、副边均工作在(准)谐振状态。根据转子位置的不同，原、副边互感及传输功率(电压)会随着绕组相对位置产生变化，故通过检测副边的电压信号就能够从中获得电机转子的位置信息。

实施例2：

本实施例重点说明如何在实施例1的基础上，设置激磁电路实现转子侧无源设计。

图7、8分别给出了副边为正交双绕组和单绕组情况下的激磁电路的实现方式。

激磁电路具有一个激磁绕组和中继绕组，均带有补偿电路。所述激磁电路的作用是实现原边绕组的无源设计。

一个符合以上表述的(激磁绕组和中继绕组的)线圈结构示意图如图9表示。激磁电路的激磁绕组和中继绕组由轴线为电机旋转轴线的圆形线圈构成，此结构下的激磁绕组与中继绕组之间的互感不随转子位置改变，且二者与所述原、副边绕组之间的互感足够小，可以忽略。

注意，图9的线圈结构既可以作为置于转子侧的原边+中继绕组的线圈，也可以作为置于定子侧的副边+激磁绕组的线圈。

考虑图8的电路原理图，将(1)激磁绕组电路(2)原边和中继绕组电路(3)副边绕组电路均设计为串联补偿，且三部分设计谐振频率相等，计为：

其中，L₁、L₂、L_p、L_s分别为激磁绕组、中继绕组、原边绕组、副边绕组的自感，C₁、C₂、C₃分别为三部分的补偿电容，此时回路阻抗分别可表示为R₁、R₂、R₃。

在激磁电路两端施加幅值恒定的交流简谐激励电压U_x，并保持U_x频率f与线圈设计谐振频率相等。设激磁电路的互感为M₁，其为恒定值，原、副边绕组的互感为M₂，根据基尔霍夫定律，此时系统的电路方程为：

从而得出

显然输出电压U_m受到了M₂变化的调制，且关于原、副边绕组互感的表达形式与实施例1具有相似性，证明激磁电路对装置检测原理没有影响。根据互感M₂的变化特性，适当地调整参数可以使得输出电压U_m呈正弦包络的高频信号，同样可以通过滤波、解调、锁相等方法解算得到其中包含的转子信息。

本发明所述位置检测装置经适当变化也可用于其他非接触式角度或/和直线位置检测应用领域，不仅仅限于电机转子位置检测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电机转子位置检测装置，其特征在于，

具有一个带补偿电路的原边绕组和至少一个带补偿电路的副边绕组，原、副边绕组均构成具有特定谐振频率的谐振电路，且各谐振电路的谐振频率一致，在所述原、副边绕组之间实现磁耦合谐振式无线电能传输；

所述原、副边绕组均包括一线圈模组，该线圈模组由偶数个结构相同的线圈连接而成，线圈轴线均与电机转子旋转轴线平行，通过轴向磁场耦合，相邻线圈绕线方向相反构成交错的N、S磁极，原、副边绕组之间的互感随转子转动周期交变；

所述原边绕组联接有激磁电路，所述激磁电路对原边绕组施加交流激励，并使其工作于谐振状态；

所述副边绕组与外部检测电路连接。

2.如权利要求1所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

所述原边绕组与电机转子固结并同步旋转；

所述副边绕组固定。

3.如权利要求1或2所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

所述副边绕组包含两个独立的结构相同、空间电角度相位相差90度的正交绕组。

4.如权利要求1或2所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

原、副边绕组的偶数个线圈沿周向均匀分布，各所述线圈圆心位于距电机旋转轴线的半径相等的同心圆上。

5.如权利要求4所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

原、副边绕组的所述线圈均构造成圆形或螺旋线形。

6.如权利要求1或2所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

原、副边绕组的所述线圈由PCB电路板制成。

7.如权利要求1所述电机转子位置检测装置，其特征在于：

所述激磁电路包括：一个带补偿电路的激磁绕组和一个带补偿电路的中继绕组，中继绕组与所述原边绕组电气联接，激磁绕组由外部电路供电；

与原边绕组连接的所述激磁绕组和中继绕组均构造成具有特定谐振频率的谐振电路，且各谐振电路的谐振频率均与所述副边绕组一致，从而在所述激磁绕组与中继绕组之间、原边绕组与副边绕组之间实现磁耦合谐振式无线电能传输；

所述激磁绕组和中继绕组的线圈轴线与电机转子旋转轴线平行，通过轴向磁场耦合；

结构上，激磁绕组与中继绕组之间的互感不随转子位置改变，且二者与所述原、副边绕组之间的互感为零或者足够小以至于忽略。

8.如权利要求7所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

所述激磁绕组、中继绕组的线圈轴线与电机旋转轴线重合。

9.如权利要求1～8任一所述电机转子位置检测装置，其特征在于，

各绕组的所述补偿电路为LC谐振电路。