CN112712981A - 一种无刷式旋转变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于旋转变压器领域，涉及一种无刷式旋转变压器；包括环形定子铁芯(15)及环形定子铁芯绕组(13)、环形转子铁芯(25)及环形转子铁芯绕组(23)、定子铁芯(14)及定子铁芯绕组(11)以及转子铁芯(24)及转子铁芯绕组(21)；与转子绕组平行放置着一个附加的环形转子铁芯绕组(23)，该绕组(23)绕制在转子铁芯(24)上，并且其匝数相对较少，由此形成一种低通滤波的效果，可以通过输入电压和输出电压之间屏蔽一些特定频率的干扰信号；本发明所涉及的旋转变压器具有抗干扰能力强的特点，可广泛运用于恶劣环境下。

Description

一种无刷式旋转变压器
技术领域
本发明涉及一种具有定子和转子的无刷式旋转变压器。更具体地说，该旋转变压器具有至少两个定子绕组和一个转子绕组。旋转变压器定转子与环形定转子轴向放置。环形定子与环形转子都有各自绕组。除此之外，在转子上还增加一个额外的短路绕组。
背景技术
无刷式旋转变压器是由环形定转子和定转子两组感应元件构成。对于定转子而言，通过测量输出电压作为正弦和余弦的角度函数来判定定子与转子之间的机械旋转角。环形定子与环形转子部分则向转子提供输入电压。旋转变压器必须在交流电压下运行，它们的传输行为取决于激励电压的频率。
在一个确定的频率范围内，输出电压和输入电压之间的相移严重依赖于激磁频率。相移的频率响应从低频到高频处具有很大的单调下降性，并且在标准工作区的上部通过一个零点。由于旋转变压器具有信号整流的作用，考虑到相移与激磁信号的相位关系。如果它们同相，则对应于正值；如果它们反相，则对应于负值。通常情况下，电子设备只能承受较小的附加相位位移。如果旋转变压器要在低频下运行，相移会带来一些比较特殊的问题。
以前，这个相移问题已经通过使用RC元件，通过激励电压生成一个相位校正参考信号来解决。用具有不同相移的旋转变压器替换用于评估电子元件中的旋转变压器，从而根据它们的数据来修正评估电子元件的相位校正元件。
根据专利(EP0593351A1)，已知一种旋转变压器，在定转子与环形定转子之间，布置一种圆盘或环形形式的短路绕组，以屏蔽环形定转子产生的杂散磁通。然而，这种测量方法对输入电压和输出电压之间的相移没有影响。
发明内容
本发明的目的是：
本发明的目的是提供一种无刷式旋转变压器，通过一种简单的措施来补偿旋转变压器本身的相位位移，该措施结构简单并且无需花费很大的费用，使得评估电子设备中的外部相位校正器变得多余。
本发明的技术方案是：
一种无刷式旋转变压器，其特征在于，包括：环形定子铁芯15及环形定子铁芯绕组13、环形转子铁芯25及环形转子铁芯绕组23、定子铁芯14及定子铁芯绕组11以及转子铁芯24及转子铁芯绕组21；另外，一个环形转子铁芯绕组23，布置在转子铁芯24上，与转子铁芯绕组21平行，其中所述的环形转子铁芯绕组23形成低通滤波补偿工作频率。
所述环形转子铁芯绕组23的匝数大于1匝，小于转子铁芯绕组21匝数的1/4。
所述环形转子铁芯绕组23的直径和匝数补偿相移，相移在0°到10°之间。
所述环形转子铁芯绕组23具有与所述转子铁芯绕组21相同的线径。
所述环形定子绕组13以及环形转子绕组23的匝数通过匹配，使得其函数关系保持相对恒定的状态。
所述环形转子铁芯绕组23可以用与转子绕组21相同的线径绕制，也可以使用与所需相移相对应的其他线径。
所述环形转子铁芯绕组23的匝数大于1，但远小于变压器转子绕组21的匝数。
所述环形转子铁芯绕组23通过改变匝数修改L和R或改变导线横截面修改R，修改转角频率，改变低通滤波器对相位位移的影响。
本发明的优点是：
本发明所述的旋转变压器，其短路绕组被布置在与转子铁芯上，并与转子绕组平行。选择短路绕组的匝数和线径，从而能够部分地抵消旋转变压器在工作频率下的相移，提高旋转变压器抗干扰能力，使得其能够在恶劣的环境下工作。
附图说明：
图1是本发明具有短路绕组的旋转变压器的实施例的示意图。
图2是本发明的旋转变压器实施例的机械结构的示意性截面图。
图3是无短路绕组的旋转变压器的频率相移曲线与本发明的旋转变压器相移的曲线图示。
图4是本发明的旋转变压器的环形定转子函数关系取决于工作频率的曲线的示意图。
具体实施方案：
本发明中的环形转子铁芯绕组23的功率消耗，连同其阻抗L和电阻R，对旋转变压器的传输函数具有一阶低通滤波的影响。通过改变匝数修改L和R或改变导线横截面修改R，可以修改转角频率，从而改变低通滤波器对相位位移的影响。
低通滤波的行为是通过低通变换来实现的，通过改变匝数的关系来补偿不会对相移产生实质性的影响，另外，传输关系的频率响应会以近似恒定。因此，相位校正的方式只适用于有限的频率范围。
本发明的环形转子铁芯绕组23可以用与转子绕组21相同的线径绕制，也可以使用与所需相移相对应的其他线径。环形转子铁芯绕组23的匝数大于1，但远小于变压器转子绕组21的匝数。在旋转变压器的标准结构中，使用的匝数约为变压器转子绕组的5％至10％。下面参照附图通过示例性实施例对本发明进行更详细的说明。
图1中所示的旋转变压器具有两个定子绕组11和12彼此之间以90°的位移布置。转子电路2，设置在定子电路1中以同轴旋转，具有转子绕组21和环形转子绕组22。定子绕组11和12以及转子绕组21构成旋转变压器的旋变部件3，而环形定子绕组13和环形转子绕组22，形成环变部件4。
上述结构是旋转变压器的一般结构。将输入电压U0施加到环形定子绕组13上。通过环形转子绕组22，将该电压施加到转子绕组21上，从而在定子绕组11和12中产生相应的输出电压。因此，在定子绕组11处产生输出电压Usin，在定子绕组12处产生输出电压Ucos。根据以下等式，这些输出电压取决于转子绕组21的角位置α：
Usin＝U0sinα·Ucos＝U0cosα
因数t表示旋转变压器的变换关系，表示输出电压的最大值与输入电压的最大值之间的关系。因此，转子的旋转角α可由的输出电压Usin和Ucos计算出。
为了补偿应工作频率导致的输出电压和输入电压之间的相移，在变压器4中，附加了一个环形转子铁芯绕组23，该绕组与变压器转子绕组22平行。该绕组因其阻抗L及其电阻R可以起到低通滤波的效果。给定相应的匝数和导线横截面尺寸，绕组可补偿相移。
图2为图1的旋转变压器的机械结构地截面图。转轴20以未显示的方式安装在壳体19上。在本例中，有一个空心轴，可以连接到要测量旋转角度的机器轴上。外壳10，绕组11、12、13即定子1在其中。带有绕组21、22、23的转轴20组成转子2。如前所述，绕组轴向位移，由此定子绕组11和绕组12布置在分层定子铁芯14中，以便通过与旋转变压器部件3成90°角，而转子绕组21同样布置在转子铁芯24上。定子铁芯14和转子铁芯24彼此相对放置，以形成气隙5。环变部分4与旋变部分3之间具有轴向位移。环变部分4在定子上还有一个环形定子铁芯15，其中环形定子绕组13被布置在环形定子铁芯15中。环形转子绕组23在环形转子铁芯25上，环形转子绕组22位于环形转子铁芯25上。此外，该铁芯在转子绕组22下方还绕制额外的环形转子铁芯绕组23。环形定子铁芯15和环形转子铁芯25同样形成气隙6。壳体10和转轴20由非磁性金属制成，例如高级钢。此外，连接导线，即一对导线16用于提供输入电压U0和两对导线17和18穿过外壳10用于取得定子绕组11和12处的输出电压。在内部，环变部分4的二次电压通过来自环形转子绕组22连接到转子绕组21上。
图3显示了旋转变压器相移的典型曲线。虚线Ph1表示无环形转子铁芯绕组23时的相移曲线。可以看出，这个相移在大约5KHz的频率处有一个过零点。因此，在这个频率下，几乎没有相移发生，而随着频率的降低，出现正相位位移，并且随着频率的增加，负相移增加。
利用本发明的具有低通效应的环形转子铁芯绕组23，使曲线位移，在假定的环形转子铁芯绕组23特定尺寸下，实现实线pH2所示的曲线。这条曲线在2KHz处有一个过零点。因此，如果旋转变压器的工作频率为2KHz，则初始相移由短路绕组从约15°补偿至约0°。
图4为环变部分4的频率响应。虚线T1表示无环形转子铁芯绕组23时的关系。根据它，在一定的频率范围内，即大约1kHz以上，变换关系的频率响应以一个几乎恒定的值运行，即指定的变换关系。这个频率区域是旋转变压器的标准工作区域。然而，通过本发明的环形转子铁芯绕组23的低通滤波器行为，变换关系减小。因此，实曲线t2是有效的，它只在很短的区域内保持最大变换关系。因此，旋转变压器只能在相对较窄的频率范围内与补偿环形转子铁芯绕组23一起工作。然而，这可能不是不利的，因为旋转变压器在特定频率的相位位移中得到了补偿。下面提供本发明的一些实际尺寸标注示例。
尺寸为21的六极空心轴旋转变压器的工作频率为3.3kHz，变压器转子绕组为200匝，配有各种短路绕组。表1列出了以下不同的相位移Ph值和由此产生的不同转化关系。
表1无短路绕组时导线横截面相差变换关系
线圈匝数 线圈截面 相移 变换关系t
无短路绕组 / +31° /
6 0.0254 ﹢21° -10％
6 0.0508 +14° -21％
12 0.0254 +10° -24％
12 0.0508 -2° -43％
从表1中可以看出，12匝横截面积为0.0254mm2的导线的相位位移补偿为+10°，12匝的横截面为0.0508mm2被过度补偿为-2°。修改后的转换关系t可通过修改剩余匝数进行额外补偿。
另外一个例子是尺寸为15的两极空心轴旋转变压器配有短路绕组，变压器转子绕组为180匝，工作频率为3.4kHz。通过环形转子绕组的匹配，使变换关系保持不变。产生以下值。在没有短路绕组的情况下，相移为+26°。当短路绕组有18匝时，如果导线直径为0.125mm相当于转子绕组的导线，则相移减小到+5°，这足以满足大多数应用。
以上附图中所述内容均应被理解为实例性的，本发明不受这些实例的限制，尽管本说明书中给出了一种运用于旋转变压器上的绕组固定结构的示范性例子，本领域的技术人员可以在本发明的基础上对其进行更改或同等替换。显然，这些更改或替换均应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种无刷式旋转变压器，其特征在于，包括环形定子铁芯(15)及环形定子铁芯绕组(13)、环形转子铁芯(25)及环形转子铁芯绕组(23)、定子铁芯(14)及定子铁芯绕组(11)以及转子铁芯(24)及转子铁芯绕组(21)；另外，一个环形转子铁芯绕组(23)，布置在转子铁芯(24)上，与转子铁芯绕组(21)平行，其中所述的环形转子铁芯绕组(23)形成低通滤波补偿工作频率。
2.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，所述环形转子铁芯绕组(23)的匝数大于1匝，小于转子铁芯绕组(21)匝数的1/4。
3.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，所述环形转子铁芯绕组(23)的直径和匝数补偿相移，相移在0°到10°之间。
4.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，所述环形转子铁芯绕组(23)具有与所述转子铁芯绕组(21)相同的线径。
5.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，所述环形定子绕组(13)以及环形转子绕组(23)通过匹配匝数，使得其函数关系保持相对恒定的状态。
6.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，所述环形转子铁芯绕组(23)与转子绕组(21)采用相同的线径绕制或使用与所需相移相对应的线径。
7.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，环形转子铁芯绕组(23)的匝数大于1，小于变压器转子绕组(21)的匝数。
8.根据权利要求1所述的无刷式旋转变压器，其特征在于，环形转子铁芯绕组(23)通过改变匝数修改L和R或改变导线横截面修改R，修改转角频率，从而改变低通滤波器对相位位移的影响。
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