CN109637796B - 一种高精度磁阻式旋转变压器及其绕线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度磁阻式旋转变压器及其绕线方法，包括定子和转子，定子的内表面沿轴向加工有Zs个定子齿和Zs个定子槽，定子齿和定子槽在定子的内表面沿轴向均匀设置，定子齿上缠绕有励磁绕组，转子的外圈按正弦规律变化绕制余弦绕组与正弦绕组。本发明具有结构紧凑、形式简单、加工方便，适用方位广，适用领域宽的特点，特别是对于高频领域适用性大大提高，可应用于电动汽车、航空及航天等多种领域。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种高精度磁阻式旋转变压器及其绕线方法。
背景技术
磁阻式旋转变压器是一种基于磁阻变化原理的角位传感元件。结构简单，由定、转子组成，转子铁心上不带绕组，其齿数Zr就是极对数p。励磁绕组、输出绕组sin相和cos相均放置在同一个定子齿上，绕组间存在不通过空气隙及转子的直接耦合，当绕组在槽内位置不规则以及其它原因，使得恒定分量无法消除。特别是在高频条件下匝间电容效应明显，进一步感应出干扰电压。这样一个恒定分量的存在，使得输出电压的正半波和负半波的幅值不等，严重影响了零位误差和电气误差。根据理论验证及实验分析表明，高频条件下sin项和cos项在同齿的匝间电容约为本发明匝间电容的1.83倍。
目前解决方案有两种：
1.高精度补偿方法。在定子铁心放置励磁绕组、sin相输出绕组和cos相输出绕组，为了保证参数对称，两相输出绕组下线时要进行换位处理。同时在定子铁心上绕制两套相同的补偿绕组，绕制方向同励磁绕组，它是等匝地分布在每个大齿上，由此感应出两个恒定的电势，经过分压电阻分别与两个输出绕组串联，它们的相位正好和输出绕组中恒定分量的相位相反并通过分压电阻将幅值调至相等，补偿杂散干扰电压。这种方法生产效率低，适用于角秒级高精度磁阻旋转变压器。
2.整数槽绕组设计方法。将励磁绕组在齿根部依次正反相间串联绕制，sin相输出绕组在齿顶部依次隔齿正反相间串联绕制，cos相输出绕组依次在另一半齿顶部隔齿反正相间串联绕制。这种磁阻式旋转变压器电磁参数完全对称，绕组间杂散电容大大减少，生产效率高缺点是定子齿数Zs为4倍转子齿数Zr(Zs＝4Zr)，产品极对数不同，定子齿数随之不同，定子铁心不能通用，一种产品只能对应于自己独有的模具生产，生产成本高，不适用于产业化系列产品磁阻式旋转变压器的生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高精度磁阻式旋转变压器及其绕线方法，解决现有的磁阻式旋转变压器输出绕组sin相与cos相之间存在匝间电容效应，提高旋变在高频条件下的稳定性。本发明磁阻式旋转变压器方案适应性强，可以在一种定子冲片冲模条件下，随意设计不同偶数极对数的磁阻磁阻式旋转变压器。
本发明采用以下技术方案：
一种高精度磁阻式旋转变压器，包括定子和转子，定子的内表面沿轴向加工有Zs个定子齿和Zs个定子槽，定子齿和定子槽在定子的内表面沿轴向均匀设置，定子齿上缠绕有励磁绕组，转子的外圈按正弦规律变化绕制余弦绕组与正弦绕组。
具体的，定子齿数Zs计算如下：
Zs＝4Z0
其中，Z0为≥5的奇数。
进一步的，励磁绕组为等匝线圈，励磁绕组的每个齿上依次正反相间串联绕制，cos相输出绕组在定子齿隔齿绕制，齿上匝数及绕向按照正弦匝数调制规律要求绕制，sin相输出绕组在定子齿另一半齿上隔齿绕制，齿上匝数及绕向按照余弦匝数调制规律要求绕制。
具体的，定子和转子之间为不等气隙，转子为采用磁场优化函数设计的多极波纹型结构，具体为：
Y＝Asin(Pθ)
其中，Y为波形函数，A为正弦函数的幅值，P为极对数。
具体的，余弦绕组和正弦绕组为正弦分布绕组，余弦绕组与正弦绕组不在同一个定子齿上绕制。
进一步的，一个定子齿上的余弦绕组匝数Nci计算如下：
其中，Z0为≥5的奇数，i＝1～Z0，Nm为初选正余弦匝数幅值，p为转子极对数，且p为偶数，Nci的值取整，Nci为负值时为逆时针绕线。
进一步的，一个定子齿上的正弦绕组的匝数Nsi计算如下：
其中，Z0为≥5的奇数，i＝1～Z0，Nm为初选正余弦匝数幅值，p为转子极对数，且p为偶数，Nsi的值取整，Nsi为负值时为逆时针绕线。
更进一步的，余弦绕组与正弦绕组总匝数相等。
具体的，定子由数片环形硅钢片叠压制成。
本发明的另一技术方案是，一种高精度磁阻式旋转变压器的绕线方法，对于余弦绕组，任意取一个定子的轴线且与定子齿相交的平面，并以该平面为基准，沿顺时针方向将Zs个定子齿均分成4组，每一组Zs个定子齿逆时针方向绕线，余弦绕组每个线圈匝数Nci如果为正，则在该定子齿上绕向为顺时针方向；余弦绕组每个线圈匝数Nci如果为负，则在该定子齿上绕向为逆时针方向；
确定定子铁心1号齿，励磁绕组从1号齿开始依次正反相间串联绕制；cos相输出的余弦绕组从1号齿开始隔齿绕制，即在1号、3号、5号、……、Zs-3号、Zs-1号齿上绕制；
sin相输出的正弦绕组从2号齿开始隔齿绕制，即在2号、4号、6号、……、Zs-2号、Zs号齿上绕制，此时sin相和cos相在不同的齿上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种高精度磁阻式旋转变压器，输出绕组sin相与cos相在不同的齿上，可以大幅度削弱高频条件下两相绕组之间的匝间电容效应导致测试过程中会出现跳码、精度低、零位电压超差等现象；且适应性强，可以在一种定子冲片冲模条件下，仅改变转子外形和相应绕组方案，就可随意设计不同偶数极对数的磁阻磁阻式旋转变压器。
进一步的，选择定子齿数可以在一种定子冲片冲模条件下，仅改变转子外形和相应绕组方案，就可随意设计不同偶数极对数的磁阻磁阻式旋转变压器。
进一步的，高精度磁阻式旋转变压器为旋变提供励磁电压。
进一步的，定子、转子由导磁材料制成，转子为P对极的正弦波形，可以使输出绕组出现正弦分布式电动势波形。
进一步的，正弦绕组和余弦绕组都采用了高精度同心式正弦绕组，该绕组形式可将各次谐波削弱和消除到相当小的程度。
进一步的，余弦绕组与正弦绕组的总匝数相等，保证正、余弦信号绕组的输出电势幅值相等
进一步的，定子由数片环形硅钢片叠压制成，可有效降低损耗。
本发明还公开了一种高精度磁阻式旋转变压器的绕线方法，该绕线方法能有效的降低谐波，提高测试精度，同时输出绕组sin相与cos相在不同的齿上，可以大幅度削弱高频条件下两相绕组之间的匝间电容效应导致测试过程中会出现跳码、精度低、零位电压超差等现象，通过该绕线形式，可大大提高测试精度。
综上所述，本发明具有结构紧凑、形式简单、加工方便，适用方位广，适用领域宽的特点，特别是对于高频领域适用性大大提高，可应用于电动汽车、航空及航天等多种领域。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的消匝间电容磁阻式旋转变压器的结构示意图。
其中：1.定子；2.转子；3.定子齿；4.定子槽；5.励磁绕组；6.余弦绕组；7.正弦绕组。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种高精度磁阻式旋转变压器，输出绕组sin相与cos相在不同的齿上，可以大幅度削弱高频条件下两相绕组之间的匝间电容效应导致测试过程中会出现跳码、精度低、零位电压超差等现象。
请参阅图1，本发明一种高精度磁阻式旋转变压器，包括定子1、转子2、定子齿3、定子槽4、励磁绕组5、余弦绕组6、正弦绕组7；定子1为圆筒形；定子1和转子2之间为不等气隙，定子1的内表面沿轴向加工有Zs个定子齿3和Zs个定子槽4，并在定子1的内表面沿轴向均匀设置；p为转子2的极对数；励磁绕组5缠绕在定子齿3上，励磁绕组5为等匝线圈，余弦绕组6、正弦绕组7为正弦分布绕组，余弦绕组6与正弦绕组7不在同一个齿上绕制，转子2的外圈按正弦规律变化。
Zs＝4Z0 (1)
其中，Z0为≥5的奇数，励磁绕组每个齿上依次正反相间串联绕制，cos相输出绕组隔齿绕制，齿上匝数及绕向按照正弦匝数调制规律要求绕制，sin相输出绕组在另一半齿上隔齿绕制，齿上匝数及绕向按照余弦匝数调制规律要求绕制。
定子1为由数片环形硅钢片叠压成的铁心，可有效降低损耗。
转子2由导磁材料制成，转子2为径向凸极结构；径向结构为采用磁场优化函数设计的p对极正弦结构，可以使输出绕组出现正弦分布电动势波形。
转子2的凸机结构为采用磁场优化函数设计的多极波纹型结构，该凸极结构表示为：
Y＝Asin(Pθ) (2)
式中，Y为波形函数，A为正弦函数的幅值，P为极对数。
余弦信号绕组6与正弦信号绕组7总匝数相等，保证正、余弦信号绕组的输出电势幅值相等，Nci为一个定子齿上余弦绕组6匝数，Nsi为一个定子齿上正弦绕组7匝数，Nci、Nsi的值取整，Nci、Nsi为负值时为逆时针绕线。
余弦绕组6的匝数分布为
其中，i＝1～Z0，Nm为初选正余弦匝数幅值，Zs为定子齿数，p为转子极对数，且p为偶数。
对于正弦绕组7而言，匝数分布为
其中，i＝1～Z0，Nm为初选正余弦匝数幅值，Zs为定子齿数，p为转子极对数，且p为偶数。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
消除匝间电容磁阻式旋转变压器信号绕组绕线方法如下：
对于余弦绕组6而言，任意取一个定子1的轴线且与定子齿相交的平面，并以该平面为基准，沿顺时针方向将Zs个定子齿均分成4组，每一组Zs个定子齿逆时针方向绕线，余弦绕组6每个线圈匝数按Nci计算，如果为正则在该定子齿上绕向为顺时针方向，为负则在该定子齿上绕向为逆时针方向。正弦绕组7和余弦绕组6的绕线方法类似，且余弦绕组6和正弦绕组7的匝数均按正弦规律变化。
对于正弦绕组7而言，任意取一个定子1的轴线且与定子齿相交的平面，并以该平面为基准，沿顺时针方向将Zs个定子齿均分成4组，每一组Zs个定子齿逆时针方向绕线，余弦绕组7每个线圈匝数按Nci计算，如果为正则在该定子齿上绕向为顺时针方向，为负则在该定子齿上绕向为逆时针方向。
具体如下：
确定定子铁心1号齿，励磁绕组5从1号齿开始依次正反相间串联绕制；cos相输出绕组6从1号齿开始隔齿绕制，即在1号、3号、5号、……、Zs-3号、Zs-1号齿上绕制，每个齿的匝数及绕向按式(3)确定。
sin相输出的正弦绕组7从2号齿开始隔齿绕制，即在2号、4号、6号、……、Zs-2号、Zs号齿上绕制，每个齿的匝数及绕向按式(4)确定，此时sin相和cos相在不同的齿上。
本发明变压器的输出绕组sin相与cos相在不同的齿上，可以大幅度削弱高频条件下两相绕组之间的匝间电容效应导致测试过程中会出现跳码、精度低、零位电压超差等现象；且适应性强，可以在一种定子冲片冲模条件下，仅改变转子外形和相应绕组方案，就可随意设计不同偶数极对数的磁阻磁阻式旋转变压器。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高精度磁阻式旋转变压器的绕线方法，其特征在于，高精度磁阻式旋转变压器包括定子(1)和转子(2)，定子(1)的内表面沿轴向加工有Zs个定子齿(3)和Zs个定子槽(4)，定子齿(3)和定子槽(4)在定子(1)的内表面沿轴向均匀设置，定子齿(3)上缠绕有励磁绕组(5)，转子(2)的外圈按正弦规律变化绕制余弦绕组(6)与正弦绕组(7)，余弦绕组(6)与正弦绕组(7)总匝数相等，定子(1)由数片环形硅钢片叠压制成；
定子齿数Zs计算如下：
Zs＝4Z0
其中，Z0为≥5的奇数；
励磁绕组(5)为等匝线圈，励磁绕组(5)的每个齿上依次正反相间串联绕制，cos相输出绕组在定子齿(3)隔齿绕制，齿上匝数及绕向按照正弦匝数调制规律要求绕制，sin相输出绕组在定子齿(3)另一半齿上隔齿绕制，齿上匝数及绕向按照余弦匝数调制规律要求绕制；
定子(1)和转子(2)之间为不等气隙，转子(2)为采用磁场优化函数设计的多极波纹型结构，具体为：
Y＝A sin(Pθ)
其中，Y为波形函数，A为正弦函数的幅值，P为极对数；
余弦绕组(6)和正弦绕组(7)为正弦分布绕组，余弦绕组(6)与正弦绕组(7)不在同一个定子齿(3)上绕制，一个定子齿(3)上的余弦绕组(6)匝数Nci计算如下：
其中，Z0为≥5的奇数，i＝1～Z0，Nm为初选正余弦匝数幅值，p为转子极对数，且p为偶数，Nci的值取整，Nci为负值时为逆时针绕线；
一个定子齿(3)上的正弦绕组(7)的匝数Nsi计算如下：
其中，Z0为≥5的奇数，i＝1～Z0，Nm为初选正余弦匝数幅值，p为转子极对数，且p为偶数，Nsi的值取整，Nsi为负值时为逆时针绕线；
对于余弦绕组(6)，任意取一个定子(1)的轴线且与定子齿相交的平面，并以该平面为基准，沿顺时针方向将Zs个定子齿(3)均分成4组，每一组Zs个定子齿(3)逆时针方向绕线，余弦绕组(6)每个线圈匝数Nci如果为正，则在该定子齿(3)上绕向为顺时针方向；余弦绕组(6)每个线圈匝数Nci如果为负，则在该定子齿(3)上绕向为逆时针方向；
确定定子铁心1号齿，励磁绕组(5)从1号齿开始依次正反相间串联绕制；cos相输出的余弦绕组(6)从1号齿开始隔齿绕制，即在1号、3号、5号、……、Zs-3号、Zs-1号齿上绕制；
sin相输出的正弦绕组(7)从2号齿开始隔齿绕制，即在2号、4号、6号、……、Zs-2号、Zs号齿上绕制，此时sin相和cos相在不同的齿上。
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