CN111009391A - 一种磁阻式旋转变压器及优化方法 - Google Patents

Abstract

一种磁阻式旋转变压器及优化方法，在原有的磁阻式旋转变压器的基础上，对其旋变转子键槽、凸极外形函数、绕组工艺进行优化，得到一种具有多键槽、凸极外形符合正余弦函数变化、绕组整齐不交叉的磁阻式旋转变压器，通过结构设计对称来实现工艺制造的对称性，提高产品生产效率及合格率；本发明的磁阻式旋转变压器无需先进设备就可以生产加工，生产成本低，并且产品输出精度高，合格率高，符合产品设计需求。

Description

一种磁阻式旋转变压器及优化方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种旋转变压器，特别涉及一种磁阻式旋转变压器及优化方法。

背景技术

旋转变压器是一种将转子角度位置信号转换为与转子转角成正、余弦函数关系的电信号元件，其具有无机械接触、寿命长、结构简单、可靠性好、抗干扰能力强、使用安全等优点，其在伺服控制系统领域中有着广泛运用，为伺服控制系统提供角度位置和速度信号，是伺服控制系统的精密传感器，其输出精度在控制系统中起着举足轻重的作用。其中，磁阻式旋转变压器是无刷直流伺服电机主要部件之一，其为电机的转子位置提供、转速信号给控制器，使电机按伺服要求正常运行。

一般的磁阻式旋转变压器，包括定子、转子，转子内具有键槽，并且转子上具有多个凸极；定子上按规律地设有激磁绕组和正余弦输出绕组。典型的3对极的旋转变压器如图1所示，3对极的旋转变压器其转子有3个凸极。但是，一般的磁阻式旋转变压器有极高的对称性要求和输出精度要求，因此对生产设备的要求极高，在工艺制造方面受到了严重阻碍，国内很少有单位能够生产具有高合格率的磁阻式旋转变压器

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种磁阻式旋转变压器，优化了磁阻式旋转变压器的对称性，降低了加工难度，并且提高了其输出精度。

本发明的技术方案是：一种磁阻式旋转变压器，包括定子和转子，定子上设有激磁绕组和正余弦输出绕组，转子内具有键槽，转子上具有p个均匀分布的凸极，转子的凸极轮廓为：

X(t)＝cos(t)*(a+b*sin(p*t))，

Y(t)＝sin(t)*(a+b*sin(p*t))，

t＝0～360，

a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，

R1为凸极最低点对应的圆半径，R2为凸极最高点对应的圆半径。

进一步的，转子内的键槽具有p个。

进一步的，转子内每个键槽的方向与其对应的凸极凸起方向一致。

进一步的，定子内具有多个槽和隔开每个相邻槽的齿，激磁绕组和正余弦输出绕组绕设在齿上。

进一步的，定子的所有槽中部设有筋。

进一步的，定子的筋高于齿上的激磁绕组和正余弦输出绕组高度，把相邻两齿的绕组完全隔开。

一种磁阻式旋转变压器优化方法，使用公式：

来优化磁阻式旋转变压器的转子凸极轮廓，其中a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，R1为转子凸极最低点对应的圆半径，R2为转子凸极最高点对应的圆半径，p是转子的凸极数量。

进一步的，磁阻式旋转变压器的定子为多个槽和齿间隔排列的结构，在每个槽之间增加一个阻拦结构将相邻两齿的绕组完全隔开；从而防止两齿间的绕组出现相互交叉现象。

本发明的优点是：

1、使用结构设计对称来实现工艺制造的对称性，提高产品生产效率及合格率；

2、该技术方案无需先进生产设备，降低生产成本。

附图说明

图1是背景技术中的一般3对极的旋转变压器；

图2是单键槽的电压幅值对称示意图；

图3是本发明实施例的三个安装键槽的旋转变压器结构示意图；

图4是三键槽的电压幅值对称示意图；

图5是单键槽结构和三键槽结构的磁通对称性示意图；

图6是凸极轮廓结构优化示意图；

图7是凸极轮廓结构优化前后结构对比图；

图8是凸极轮廓结构优化前后大小对比图；

图9是凸极轮廓优化前对应的输出图；

图10是凸极轮廓优化后对应的输出图；

图11是绕组对称性差的旋变输出图；

图12是定子结构优化前后结构对比图；

图13是定子结构优化后的旋变输出效果；

其中，1—定子，2—转子，3—激磁绕组，4—正余弦输出绕组，5—转子凸极，6—键槽，7—槽，8—齿，9—筋。

具体实施方式

本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。

一种磁阻式旋转变压器，包括定子和转子，定子上设有激磁绕组和正余弦输出绕组，转子内具有键槽，转子上具有p个均匀分布的凸极，转子的凸极轮廓为：

X(t)＝cos(t)*(a+b*sin(p*t))，

Y(t)＝sin(t)*(a+b*sin(p*t))，

t＝0～360，

其中，a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，R1为凸极最低点对应的圆半径，R2为凸极最高点对应的圆半径。

转子内的键槽具有p个，每个键槽的方向与其对应的凸极凸起方向一致。

定子内具有多个槽和隔开每个相邻槽的齿，激磁绕组和正余弦输出绕组绕设在齿上。定子的所有槽中部设有筋。定子的筋高于齿上的激磁绕组和正余弦输出绕组高度，把相邻两齿的绕组完全隔开。

一种磁阻式旋转变压器优化方法，使用公式：

来优化磁阻式旋转变压器的转子凸极轮廓，其中a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，R1为转子凸极最低点对应的圆半径，R2为转子凸极最高点对应的圆半径，p是转子的凸极数量。

另外，磁阻式旋转变压器的定子为多个槽和齿间隔排列的结构，在每个槽之间增加一个阻拦结构将相邻两齿的绕组完全隔开；从而防止两齿间的绕组出现相互交叉现象。

下面结合附图说明本发明的另一个实施例。

磁阻式旋转变压器属于高精度传感器，对称度要求特别高，不管在结构、材料、还是加工制造上，对称性越好，输出对称度越高。为了进行圆周向限位，本实施例用3对极的旋转变压器进行举例说明，3对极的旋转变压器其转子有3个凸极，而本单位的产品只在某1个转子凸极下设计1个安装键槽，如图1所示。

1)旋变转子键槽优化

利用Ansoft进行仿真分析，单键槽结构的旋转变压器输出结果如图2所示，在正弦函数输出的同一个正半周下，其右侧电压幅值普遍略高于左侧。

所以，磁阻式旋转变压器的转子键槽应设计为对称结构，即每一个凸极都应对应一个安装键槽，如图3所示。

利用Ansoft对旋转变压器的三键槽转子结构进行仿真分析，其输出电压如图4所示，在同一个正半周下，其左侧输出电压完全对称于右侧。

若上述对比分析使用的图片显示差异不够明显，下面用Ansoft对单键槽结构和三键槽结构进行磁通对称性仿真分析，如图5所示，左边是单键槽结构的磁通图，右边是三键槽结构的磁通图，结果很明显，三键槽结构的旋变转子磁通对称性优于单键槽结构的对称性。

所以，为使磁阻式旋转变压器的输出对称性更好，其转子的安装键槽应设计成对称结构，即n对极的转子应设计有n个键槽，且任一安装键槽与对应凸极中心线对称。

2)凸极外形函数优化

根据磁阻式旋转变压器的工作原理，旋转变压器利用转子的凸极外形结构，使不同的转角对应不同的气隙磁阻，使气隙磁通与凸极转子转角按正余弦函数曲线变化，最后使两相输出绕组的感应电势呈正余弦不断变化。

为使气隙磁导按正余弦函数变化，磁阻式旋转变压器的凸极轮廓可以由下式(2-1)进行优化。

如图6所示，实线的轮廓线外形为凸极外形，R1为最低点对应的半径，R2为最高点对应的半径，表达式中a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，p＝凸极个数。

按凸极轮廓函数表达式(2-1)，利用Ansoft软件对旋转变压器的转子凸极外形进行仿真优化，优化结果的输出电压如图10所示，图9为优化前的输出电压，经对比可知，优化后的凸极轮廓使磁阻式旋转变压器输出电压包络线完全按正余弦函数变化，函数精度达到理想要求；而未进行优化的凸极轮廓使磁阻式旋转变压器输出电压包络线在某些区间高于标准正弦函数，函数精度较差。

根仿真结果，对优化前后的物理模型进行对比区别，如图7所示，左边是优化前的磁阻式旋转变压器结构，右边是优化后的磁阻式旋转变压器结构。其轮廓大小对比见图8所示，凸极弧度明显弯曲的轮廓线为优化前轮廓，平滑的轮廓线为优化后轮廓。

所以，为使磁阻式旋转变压器的函数误差更小，旋变转子的凸极外形应按设计公式进行理论优化，使旋转变压器的输出电压信号按标准的正余弦函数变化。

3)工艺问题分析

本单位磁阻式旋转变压器输出精度差的主导性原因为旋转变压器定子各相绕组的嵌线工艺不满足传感器的结构对称要求，即单位的手工嵌线工艺不能控制绕组的每一个线圈安放在槽里后的对称要求，包括为线圈的位置对称、形状大小对称等。

当绕组线圈的安放位置不对称时，离线圈边越近的齿的磁感应强度越强，离线圈边越远的齿的磁感应强度越弱；当绕组线圈形状大小不对称时，使得各线圈的趋肤效应、邻近效应以及线圈效应对各齿的影响程度也不一致。最终两者的综合效应使旋转变压器的输出电压出现下图11所示的A1(或A2)小、A2(或A1)大的现象，使旋转变压器的对称性误差、函数误差、零位误差以及位置误差均不满足使用要求。

为了弥补工艺上的嵌线不对称缺陷，在结构设计上，把旋变定子结构的槽进行一分为二设计(即槽中间多一个筋)，把相邻两齿的绕组完全隔开，防止两齿间的绕组出现相互交叉现象，如图12中的右边结构所示，这不仅提高了绕组的安放位置对称性，还提高了线圈边的形状对称性，从而提高了旋转变压器的输出精度及合格率。

实际嵌线效果极好，优化前变压器的绕组比较错乱，存在绕组间交叉的现象，且线圈边形状、大小各异，优化后变压器的绕组比较整齐，不存在绕组交叉的现象，且线圈边形状、大小基本一致。

经过生产验证，定子结构优化前，旋转变压器的A1与A2输出差值约为0.5Vrms左右，有的甚至更大，合格率非常低；定子结构优化后，旋转变压器的A1与A2输出差值普遍小于0.1Vrms，如图13所示，对于输出精度要求±0.1Vrms的旋转变压器，优化后的定子结构可以满足研制需求。

Claims (8)

1.一种磁阻式旋转变压器，其特征在于，包括定子(1)和转子(2)，定子(1)上设有激磁绕组(3)和正余弦输出绕组(4)，转子(2)内具有键槽(6)，转子(2)上具有p个均匀分布的转子凸极(5)，转子凸极的轮廓为：

X(t)＝cos(t)*(a+b*sin(p*t))，

Y(t)＝sin(t)*(a+b*sin(p*t))，

t＝0～360°，

其中，a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，R1为转子凸极最低点对应的圆半径，R2为转子凸极最高点对应的圆半径。

2.根据权利要求1所述的一种磁阻式旋转变压器，其特征在于，转子(2)内的键槽(6)有p个。

3.根据权利要求2所述的一种磁阻式旋转变压器，其特征在于，转子(2)内每个键槽(6)的方向与其对应的转子凸极(5)凸起方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种磁阻式旋转变压器，其特征在于，定子(1)内具有多个槽(7)和隔开每个相邻槽(7)的齿(8)，激磁绕组(3)和正余弦输出绕组绕(4)设在齿(8)上。

5.根据权利要求4所述的一种磁阻式旋转变压器，其特征在于，定子(1)的所有槽(7)中部设有筋(9)。

6.根据权利要求5所述的一种磁阻式旋转变压器，其特征在于，定子(1)的筋(9)高于齿(8)上的激磁绕组(3)和正余弦输出绕组(4)高度。

7.一种磁阻式旋转变压器优化方法，其特征在于，使用公式：

来优化磁阻式旋转变压器的转子凸极轮廓，其中a＝R1+(R2-R1)/2，b＝(R2-R1)/2，R1为转子凸极最低点对应的圆半径，R2为转子凸极最高点对应的圆半径，p是转子的凸极数量。

8.根据权利要求7所述的一种磁阻式旋转变压器优化方法，其特征在于，磁阻式旋转变压器的定子为多个槽和齿间隔排列的结构，在每个槽之间增加一个阻拦结构将相邻两齿的绕组完全隔开。

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