CN109950035A - 一种单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器和特种电机、微型电机领域，公开了一种单对极绕线式无刷旋转变压器的绕组配合与线匝选择方法，通过斜槽措施抑制最低阶齿谐波v₀的影响，通过加大相邻齿谐波阶次的间隔H，抑制更高阶齿谐波成分，选择恰当的质数绕组配合，确定绕组并基于绕组配合数字，确定线匝数幅值选取下限值(即绕组最小匝数幅值的取值)，实现高精度的角度测量。本发明在保持精度的前提下，可以避免4倍数的同心正弦绕组铜线利用率低，绕制相对困难且最小齿槽配合数为8:12难以做得更小的问题，显著改善相关工艺性和经济型，缩小旋变体积。

Description

一种单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法

技术领域

本发明属于传感器和特种电机、微型电机领域，尤其涉及一种单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

旋转变压器(以下简称为旋变)诞生于二战末期，是自动控制系统中的典型位置测量传感器，特别适合于极端恶劣环境下的角度和角速度精确测量，从一开始就主要用于高端军事装备或工业设备，目前主要有绕线式无刷旋变和磁阻式旋变两大类，单对极和多对极等不同的配置方案。经典的旋变基于电磁感应原理，输出信号相对于主轴角度为正余弦调幅载波，任意时刻正余弦包络线的函数值对应于旋变主轴当时具体角度值。旋变主轴角度的测量精度关键在于正余弦包络线所对应的正弦磁势精度。

目前国内外的研究大都围绕转子无绕组的磁阻式多极旋变展开，测量精度较低，主要用于新能源汽车行业，采用正弦匝数短距绕组为基础的两相正交信号绕组布置方案，短距数为1，定子齿槽数为4的倍数，每齿同时布置有激磁绕组、正弦信号、余弦信号共三套绕组线圈。为改善磁阻式旋变绕组工艺性并规避绕组专利问题，研究人员纷纷将正弦匝数绕组改为等匝数绕组，但齿槽数仍保持为4的倍数，主要做法有两类：第一类将励磁绕组均布于所有齿上，奇数齿布置正弦绕组，偶数齿布置余弦绕组，定子槽为4的倍数；第二类将激磁绕组、正弦绕组、余弦绕组三套绕组交替布置于3个独立的齿上，总槽数为12的倍数，实际还是4的倍数。

绕线式无刷旋变主要用作工业伺服电机的编码器，或者用于要求苛刻的军事或航空航天应用中的角度测量或角速度测量，在设计中目前主流还是参照《控制微电机设计·旋转变压器》(1974)、《中国电器工程大典·电机工程》(2008)等中提出的设计方法，即以同心正弦绕组为基础的4的倍数齿槽正弦绕组配合，采取8:12、12:16、20:12、28:24、40:24等为代表的4的倍数配合进行设计，但由于电机圆周开槽间隙限制，齿槽数较多会使得旋转变压器的体积难以缩小；此外，同心正弦绕组本身的端部无效走线较多，绕制工艺相对困难很低，铜线浪费大。其他形式正弦绕组，如迭式双层绕组或短距绕组的绕制工艺难度各有不同程度提高的同时，测量精度却降低了很多，一般认为出于避免浪费大量铜线在端部无效走线等原因，仅仅运用在大型绕线式旋转变压器设计中。

中国发明专利(申请号：201410119734.1)“一种多余度双通道无接触旋转变压器”采用同心正弦绕组，齿槽数为4的倍数。Ramin Alipour-Sarabi(IEEE Sensors Journal，2017)提出的轴向磁通分数槽旋转变压器齿槽数也还是保持了4的倍数。近些来出现有若干种奇数齿槽配合的绕线式旋转变压器，例如日本多摩川旋转变压器中采用了11:20配合，中国发明专利申请(申请号：201710132525.4)“小尺寸旋转变压器的齿槽配合及绕组选择方法”选择了13:16，实用新型专利申请(申请号：201320705500.6)“七槽旋转变压器”选择了7:12。但现有非4的倍数齿槽配和仍然体现为少数特定配合的优化数字，缺少明确的奇数槽或质数槽绕组配合设计方法。一般认为，奇数齿槽只能运用迭式双层绕组，而且并不确定奇数槽旋变是否优于偶数槽旋变。

此外，对于配合绕组的线匝数确定问题，目前的设计方法均以绕组匝数尽可能多为原则，充分填满整个线槽嵌线空间。Ramin Alipour-Sarabi(2019，IEEE Transactionson Industrial Electronics)提出用遗传算法来确定线匝数，只能具体问题具体处理，更适合于设计优化而不能作为基本方案设计指导，缺少线匝数选取的具体约束条件。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术以同心正弦绕组为基础，采取8:12、12:16、20:12、28:24、40:24等为代表的4的倍数配合进行设计，但由于齿槽数相对较多，受电机圆周开槽间隙限制，使得旋转变压器的体积难以进一步缩小，难以运用在小微伺服电机等场合；此外，同心正弦绕组本身的端部无效走线较多，绕制工艺相对困难，铜线浪费大；另外迭式双层绕组和短距绕组工艺难度各有不同程度提高的同时，测量精度却降低了很多，因而一般认为只会在大型绕线式旋转变压器设计中运用。

解决上述技术问题的难度：

单对极绕线式旋转变压器由定绕组和转子绕组两部分构成。现有设计方法认为，在条件允许的情况下齿槽数越多越好，为了布置m相、p对极的对称绕组，并能消除v阶谐波磁势，其槽数必须是2pmv的倍数。单对极绕线式旋变中m＝2，p＝1，所以槽数为4的倍数，恰好与高精度的同心正弦绕组齿槽数要求相吻合，通过两套高精度绕组的配合，最终达成高精度的正弦磁势分布；为同时布置正交的两组线圈，最小齿槽配合推荐为8:12。考虑到铁心齿槽最小宽度限制，现有设计方法下旋转变压器的几何尺寸存在着原理性约束，例如伺服电机编码器直径就少有36mm以下的规格。

解决上述技术问题的意义：

本发明采用精度相对较低的正弦匝数短距绕组，引入质数和偶数齿槽配合，构造一定形式的齿谐波阶次分布，同时运用斜槽手段，基于齿谐波对消原理达成类似两套高精度绕组配合的效果，突破了4的倍数齿槽数字限制，在达成足够正弦磁势精度的前提下，能够选择更少的齿槽数配合实现更小的几何尺寸，更高的铜线利用率，运用于更小尺寸的伺服电机编码器。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法。

本发明所述的一种单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法，通过斜槽措施抑制最低阶齿谐波v₀的影响，通过加大齿谐波阶次间隔H抑制更高阶齿谐波成分；选择恰当的质数绕组配合，运用斜槽工艺，确定绕组配合选择与线匝取值的最小匝数幅值。

进一步，齿谐波源自于铁心开槽，齿谐波阶次序列为nZ±1，其中Z为齿槽数，n为任意自然数。旋转变压器中有效齿谐波为定子齿谐波和转子齿谐波所共有部分，因而公共齿谐波阶次间隔H为定子和转子齿槽数的最小公倍数，而最低阶齿谐波v₀是确定最优配合、次优配合和可行配合的关键依据。斜槽既可以在转子上实现，也可在定子上实现，通常选择在转子上斜过一个槽，可以将齿谐波的影响降低v₀倍，因而v₀越大，斜槽的效果越好，旋变测量精度越高。

附表1中黑框标记对应的定转子配合数为每个区段，例如nZ_S<Z_r<(n+1)Z_S,内的最优配合，即v₀最大的配合为最优配合；在各个区段内，由于旋变设计中对输出信号正交性或对称性的考虑，有可能明确需要4的倍数齿槽时，可以在相应区段中选择v₀低一级的4的倍数，例如(7:8)(11:16)(13:16)等等；在存在其他设计需求而上述最优配合或次优配合都不如意时，可以选择表1中各区段内所有v₀大于20左右的配合作为可行配合，例如日本多摩川选择的(11:20)，上海赢双电机选择(7:12)等等。

最优配合能够达成的测角精度可以达到相似齿槽数同心正弦高精度绕组配合的效果，次优配合和可行配合可以达到测角精度±10‘，但本发明给出了更小的最小配合齿槽数，因而相对于当前设计准则可以实现更小直径的旋变产品设计；而本发明提出的次优配合和可行配合选择方法，大大拓展了设计师的可用配合数字，不必再局限于手册推荐的若干特定配合数与绕组选择。线匝幅值取值有一个最小匝数限定，完全由定子或转子的齿槽数决定，当匝数幅值过小时，会使得绕线时无可避免的半匝误差影响超越齿谐波影响，需要按公式(1)来确定特定齿槽数对应的最少线匝幅值。

进一步，采用表1中推荐的质数和偶数齿槽数绕组最优或次优配合或可行配合，同时在转子或定子上斜过一个齿槽；质数槽绕组可以在正弦匝数短距绕组、迭式双层绕组中选择，偶数槽绕组可以选择同心正弦绕组、迭式双层绕组、短距绕组等多种类型，但实践中质数槽绕组应优先选择短距数为1的集中式线圈，分别绕制正弦或余弦匝数的信号线圈，构成正弦或余弦匝数短距绕组；偶数槽绕组选择短距数为的正弦匝数短距分布式绕组。定子或转子短距绕组的正弦或余弦匝数幅值可选择的最小值由公式(1)判定，或者由匝数幅值根据公式(2)来判定最大齿槽数。

N_w≥0.0533K[Z]² (1)

其中，N_w为绕组线圈的匝数幅值，K为不同的绕组类型所对应的绕组误差系数；对同心正弦绕组K＝1；对迭式双层绕组K≈7.8；对正弦匝数短距绕组而言，若取短距数则K＝0.4134(Z为偶数)或者K＝1.9776(Z为奇数)，若取短距数y＝1，则K＝1(Z为偶数)或者K＝2.7597(Z为奇数)。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法设计的单对极绕线式旋转变压器。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法设计的质数齿槽配合的旋转变压器绕组。

本发明的另一目的在于提供一种安装所述单对极绕线式旋转变压器的角度或角速度测量编码器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明为高精度小尺寸旋转变压器设计提供了明确的绕组配合和线匝数选择依据，通过推荐的质数vs偶数齿槽最优、次优或可行配合，优先选择不同短距数的正弦匝数短距绕组，同时采用斜槽措施，在保持精度的前提下避免现有设计方法最小齿槽配合数为8:12难以做得更小，现有设计方法优先推荐的同心正弦绕组铜线利用率低等问题，能够显著改善相关工艺性和经济型，缩小旋变几何尺寸。

附图说明

图1是本发明实施例7：10齿槽配合的旋转变压器绕组截面示意图。

图中：1、质数槽定子铁心；2、偶数槽转子；3、定子余弦绕组；4、定子正弦绕组；5、转子绕组；6、转子铁心。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术主要以同心正弦绕组为基础，主流绕线式单对极旋转变压器均以8:12、12:16、20:12、28:24、40:24等为代表的4的倍数配合进行设计，是公认的高精度绕组配合，测量精度大都在±10’，但同样由于齿槽数多，受电机圆周开槽间隙限制，使得旋转变压器的体积难以缩小，此外，同心正弦绕组本身的端部无效走线较多，绕制工艺相对困难，绕组系数很低，铜线浪费大；另外两种绕组工艺难度各有不同程度提高的同时，测量精度却降低了很多，因而一般认为出于避免浪费大量铜线在端部无效走线等原因，只有在大型绕线式旋转变压器设计中运用迭式双层绕组或短距绕组。

为了解决现有技术问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

本发明实施例提供的单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法，在表1中优先选择黑框标记的质数vs偶数齿槽配合，通过斜槽措施抑制最低阶齿谐波v₀的影响(表1中各单元“+”号之后的数字)，通过加大齿谐波阶次间隔H(表1中各单元“n”之前的系数)抑制更高阶齿谐波成分；选择恰当的质数绕组配合，运用斜槽工艺，确定绕组配合选择与线匝取值的最小匝数幅值。

定子绕组优先选择短距数y＝1的正弦匝数短距绕组，同一齿槽上正弦绕组和余弦绕组匝数为和转子绕组优先选择短距数的正弦匝数短距分布绕组，每齿槽上绕组匝数为

本发明实施例中优先选择表1黑框所标记的最优齿槽配合，质数齿槽安排不限定为定子一侧，但优先安排在定子侧；在表1中所有v₀大于20的齿槽配合都是可行配合；相同质数槽配合的每一列齿槽配合数中，v₀最大的齿槽配合为最优配合，v₀第二大的黑框为次优配合。次优配合和可行配合主要适用于安排严格正交输出的必须含4的倍数齿槽场合。

本发明实施例的定子或转子短距绕组正弦或余弦匝数幅值可选择的最小值由公式(1)判定，或者由匝数幅值根据公式(2)来判定最大齿槽数。

N_w≥0.0533K[Z]² (1)

其中，N_w为绕组线圈的匝数幅值，K为不同的绕组类型所对应的绕组误差系数；对同心正弦绕组K＝1；对迭式双层绕组K≈7.8；对正弦匝数短距绕组而言，若取短距数则K＝0.4134(Z为偶数)或者K＝1.9776(Z为奇数)，若取短距数y＝1，则K＝1(Z为偶数)或者K＝2.7597(Z为奇数)。

图1是本发明实施例的一种选择7：10齿槽配合的旋转变压器绕组截面示意图。包括：质数槽定子铁心1、偶数槽转子2、定子余弦绕组3、定子正弦绕组4、转子绕组5、转子铁心6。

转子铁心6安装在偶数槽转子2内部；转子绕组5间隙配合在偶数槽转子2外部周围；转子绕组5上间隔均匀排列有多组定子余弦绕组3、定子正弦绕组4；定子余弦绕组3相邻组之间安装有质数槽定子铁心1；定子正弦绕组4相邻组之间安装有质数槽定子铁心1。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理进行进一步说明；

实施例；

如表1本发明实施例提供的含质数齿槽配合与残留齿谐波阶次分布所示，其中黒框标记为高精度绕组，可优先选择，多项式最后的常数项目，例如5:6所对应的11，7:10所对应29等等，表示最低阶残留齿谐波。非黑框标记项目中，各最低阶残留齿谐波阶次的局部最大值对应的定转子配合数为局部最优配合。单对极绕线式旋转变压器设计中，最低阶残留齿谐波阶次在20以上的，精度均能达到±10’，可以作为实际产品绕组配合选择，但在条件允许的情况下，优先选择最优配合或者次优配合。

符合附表1的单对极绕线式旋转变压器定子为质数槽Z_s,转子为偶数槽Z_r，定子为正弦匝数短距绕组，短距数为1，转子也为正弦匝数短距绕组，短距数为并且转子要斜过一个槽。

定转子线匝数均按安排，其中Z为定子槽数或转子槽数，且以符合公式(1)。

表2为若干典型质数vs偶数齿槽配合误差磁势频谱分布，可以看出，黑框标记的齿槽配合均属高精度配合。

表1

表2

本发明还可以有其他选择，不仅仅限定为7：10，例如5:6在略低精度要求下，同样是可行配合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单对极绕线式无刷旋转变压器绕组配合与线匝选择方法，其特征在于，所述的单对极绕线式无刷旋转变压器绕组配合与线匝选择方法包括：通过斜槽措施抑制最低阶齿谐波v₀的影响，通过加大齿谐波阶次间隔H抑制更高阶齿谐波成分；选择适宜的质数绕组配合，运用斜槽工艺，确定绕组配合选择与线匝取值的最小匝数幅值。

2.如权利要求1所述的单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法，其特征在于，齿谐波源自铁心开槽，齿谐波阶次序列为nZ±1，Z为齿槽数，n为任意自然数；在转子上斜过一个槽，将齿谐波的影响降低v₀倍。

3.如权利要求1所述的单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法，其特征在于，所述单对极绕线式无刷旋转变压器绕组配合与线匝选择方法进一步包括：采用推荐的质数和偶数齿槽数绕组最优或次优配合或可行配合，在转子或者定子上斜过一个齿槽；质数槽绕组在正弦匝数短距绕组、迭式双层绕组中选择，偶数槽绕组选择同心正弦绕组、迭式双层绕组、短距绕组多种类型，选择短距数为1的集中式线圈，分别绕制正弦或余弦匝数的信号线圈，构成正弦或余弦匝数短距绕组；偶数槽绕组选择短距数为的正弦匝数短距分布式绕组；定子或转子短距绕组的正弦或余弦匝数幅值选择的最小值由公式(1)判定，或者由匝数幅值根据公式(2)来判定最大齿槽数；

N_w≥0.0533K[Z]² (1)

其中，N_w为绕组线圈的匝数幅值，K为不同的绕组类型所对应的绕组误差系数；对同心正弦绕组K＝1；对迭式双层绕组K≈7.8；对正弦匝数短距绕组而言，若取短距数K＝0.4134时，Z为偶数；或者K＝1.9776时，Z为奇数；若取短距数y＝1，K＝1时，Z为偶数；或者K＝2.7597时，Z为奇数。

4.一种利用权利要求1所述单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法设计的单对极绕线式旋转变压器。

5.一种利用权利要求1所述单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法设计质数齿槽配合的旋转变压器绕组。

6.一种安装权利要求4所述单对极绕线式旋转变压器的角度或角速度测量编码器。