CN113824234B - 磁阻式自整角机用绕组及其绕制方法 - Google Patents

磁阻式自整角机用绕组及其绕制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁阻式自整角机用绕组及其绕制方法，其中所述绕组包括励磁绕组以及星形连接的三相对称输出绕组，所述励磁绕组能够产生随转角变化的励磁主磁链，同时产生不随转角变化的漏磁链(漏磁链是伴生的，是不需要的)；所述输出绕组和励磁绕组均绕制于定子齿上且置放于定子槽内，通过所述励磁绕组和所述输出绕组的绕制规律和方法，能够消除所述输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。根据本发明实施方式的磁阻式自整角机用绕组的绕制规律和方法，能够消除因漏磁链而感应出的恒定分量，保证输出电势函数中只存在随转角作一次变化的有效分量，保证精度；同时本专利提出的新形式的绕组结构简单、更易加工制作。

Description

磁阻式自整角机用绕组及其绕制方法
技术领域
本发明是关于绕组，特别是关于一种磁阻式自整角机用绕组及其绕制方法。
背景技术
自整角机被称为信号电机，是最早通过电磁原理应用于角度信号识别和角度信号传输的传感器。任何电机的绕组都是核心，称作电枢；自整角机的绕组就是自整角机的核心。发展到磁阻式传感器，若采用传统的绕组形式，由于加工难度较大、成品率低，且难以消除的电势中的恒定分量、致使精度低，而不再存在，导致传统的自整角机传感器完全被磁阻式旋转变压器所代替。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的磁阻式自整角机用绕组，解决消除恒定分量问题，并且绕组形式简单和加工方便。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种磁阻式自整角机用绕组，包括：励磁绕组和星形连接的三相对称输出绕组。
励磁绕组能够产生随转角变化的励磁主磁链，同时产生不随转角变化的漏磁链；以及
所述输出绕组和励磁绕组均绕制于定子齿上且置放于定子槽内，所述励磁绕组包括多个相连的励磁绕组元件，所述输出绕组包括多个相连的输出绕组元件，相邻两个所述励磁绕组元件的绕向相反，所述输出绕组元件呈60°相带或者120°相带分布绕制；
若同一个所述定子齿上的励磁绕组元件和输出绕组元件在对应的定子槽中的绕向均为正绕向或反绕向，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为+，若分别为正绕向和反绕向，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为-；当为+的恒定分量所对应的的所述输出绕组元件数量和为-的恒定分量所对应的所述输出绕组元件数量相等，则能够消除所述输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述励磁绕组元件在相邻两个所述定子槽内均形成有第一有效边层，所述输出绕组元件在相邻两个所述定子槽内均形成有第二有效边层，每个所述定子槽内形成的第一有效边层的数量和第二有效边层的数量的总和为四层或六层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述励磁绕组元件的数量与所述定子齿的数量相等，所述输出绕组元件的数量为偶数。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述输出绕组元件呈60°相带或者120°相带分布。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述输出绕组元件的数量等于所述定子齿数量的三分之一或三分之二。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述励磁绕组元件和输出绕组元件的节距均等于一个齿距。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述定子槽的数量为6的整数倍。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述输出绕组为分布短距式绕组。
在本发明的其他实施方式中，还提供了一种磁阻式自整角机用绕组的绕制方法，包括：
步骤1、在定子齿上绕制励磁绕组元件，相邻两个所述励磁绕组元件的绕向相反；
步骤2、在所述定子齿上呈60°相带或者120°相带分布绕制输出绕组元件，若同一个所述定子齿上的励磁绕组元件和输出绕组元件在对应的定子槽中的绕向均为正绕向或反绕向，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为+，若分别为正绕向和反绕向，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为-；当为+的恒定分量所对应的的所述输出绕组元件数量和为-的恒定分量所对应的所述输出绕组元件数量相等，则能够消除所述输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的磁阻式自整角机用绕组，根据励磁绕组和输出绕组的绕制规律和方法，输出绕组不但可以得到随转角作一次变化的电势分量，而且可以消除因漏磁链而感应出的恒定分量，保证输出电势函数中只存在随转角做一次变化的有效电势分量，从而保证精度；本发明中的各励磁绕组元件的匝数均相同，各输出绕组元件的匝数均相同，绕组结构简单，更易加工制作。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的励磁绕组与输出绕组的原理示意图；
图2是根据本发明一实施方式的励磁绕组的原理图；
图3是根据本发明一实施方式在极对数P为5、相带为60°的条件下的输出绕组的原理图；
图4是根据本发明一实施方式在极对数P为4、相带为60°的条件下的输出绕组的原理图；
图5是根据本发明一实施方式在极对数P为4、相带为120°的条件下的输出绕组的原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种磁阻式自整角机用绕组，包括励磁绕组Q以及星形连接的三相对称输出绕组A、B、C。励磁绕组Q形成有两根引线R1、R2。星形连接的三相输出绕组A、B、C形成有三根引线S1、S2、S3。由于被测电机的相数为三相，三组输出绕组A、B、C也构成三相，从而方便控制电路的设计。
一实施方式中，输出绕组A、B、C和励磁绕组Q均绕制于定子齿上且置放于定子槽内，励磁绕组Q能够产生随转角变化的励磁主磁链，同时产生不随转角变化的漏磁链(漏磁链是伴生的，是不需要的)。根据不同的技术要求、相带分布、极对数、齿数等，通过输出绕组A、B、C和励磁绕组Q的绕制规律和方法，从而能够消除输出绕组A、B、C因漏磁链而感应出的恒定分量。
定子冲片上设有定子齿和定子槽，定子齿和定子槽的数量相等且均为6的整数倍。一实施方式中，输出绕组A、B、C在定子上绕制成三相对称绕组。励磁绕组Q和三组输出绕组A、B、C的节距均为一个齿距。输出绕组A、B、C在定子齿上的绕制形式属于分布短距式绕组形式，从而具有足够优秀的对测量精度影响最大的3k次谐波进行抵消的能力。从而只需考虑消除特定次数的谐波，特别是6k±1(5、7、11、13、……)次谐波。
一实施方式中，输出绕组A、B、C的相带为60°或者120°，当相带为60°时，输出绕组A、B、C可获得最大电势。
励磁绕组Q的电压方程为：
U1(t)＝U1msinωt
输出绕组A、B、C的输出电势方程式为：
Figure GDA0003528288750000051
其中，θ为转子转角，t为时间，ω为励磁频率，U1m为励磁电压幅值，E2m为输出绕组电势幅值，P为极对数，φ为励磁电压与输出绕组输出电势之间的相位差。
如图2、图3、图4和图5所示，定子槽和定子齿均设置有十二个，十二个定子槽的标号为1～12，十二个定子齿的标号为1'～12'。在其他实施方式中，定子槽和定子齿也可以设置有其它数量，只需满足数量为6的整数倍这个条件即可。
如图2所示，励磁绕组Q包括多个相连且分别绕制在对应的定子齿上的励磁绕组元件X。每个定子齿上可以绕制有一个励磁绕组元件X。各励磁绕组元件X的匝数均相等。在绕制时，相邻两个励磁绕组元件X的绕向相反。在图2中，十二个定子齿对应绕制有十二个励磁绕组元件X。
如图3、图4和图5所示所示，每相输出绕组均包括多个相连且分别绕制在对应的定子齿上的输出绕组元件Y。输出绕组A、B、C的所有输出绕组元件Y按照60°或者120°相带划分分布绕制在对应的定子齿上。每个定子齿上可以绕制有一个或者两个分属于不同相的输出绕组元件Y。各输出绕组元件Y的匝数均相等，使得对应的定子槽的槽满率都相同。所有实施方式中，输出绕组元件Y的数量为偶数，且按照60°或者120°相带划分分布绕制，保证可消除输出绕组A、B、C内的恒定分量。在输出绕组元件Y按照60°或者120°相带划分时，对应的，每相输出绕组对应的输出绕组元件Y的数量等于定子槽的数量的三分之一或三分之二。
一实施方式中，励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的节距按照原则也是均等于一个齿距。
如图2所示，每个励磁绕组元件X在相邻两个定子槽内均形成有第一有效边层且分别用实线和虚线表示，该相邻两个定子槽为绕制有该励磁绕组元件X的定子齿两侧的定子槽。如图3、图4和图5所示，每个输出绕组元件Y在相邻两个定子槽中内均形成有第二有效边层且分别用实线和虚线表示，该相邻两个定子槽为绕制有该输出绕组元件Y的定子齿两侧的定子槽。每个定子槽内形成的第一有效边层的数量和第二有效边层的数量的总和为四层或六层。
如图2所示，相邻两个励磁绕组元件X在对应的中间的一个定子槽内形成有两层第一有效边层且分别用实线和虚线表示。如图3和图5所示，相邻两个输出绕组元件Y在中间的一个定子槽分别形成有两层第二有效边层且分别用实线和虚线表示。同时，相邻两个输出绕组元件Y在外侧的两个定子槽内也分别形成有第二有效边层且分别用实线和虚线表示。结合图2和图3以及结合图2和图4所示，在同一个定子槽内，第一有效边层的数量以及第二有效边层的数量的总和为四层。结合图2和图5所示，在同一个定子槽内，第一有效边层的数量以及第二有效边层的数量的总和为六层。
每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件Y匝数的确定：
1)首先根据感应电动势公式E＝4.44fWefφ，得出每相输出绕组的有效匝数Wef，f为频率，φ为主磁通。
2)根据单元星形图分析计算每相输出绕组的输出绕组元件Y的数量，输出绕组元件Y的数量为偶数，通过选取60°相带还是120°相带，以保证恒定分量在绕组中相互抵消。
如图2所示，各励磁绕组元件X具有交互的+(正向)和-(反向)两种方向的绕制。如图3、图4和图5所示，各输出绕组元件Y也具有+(正向)和-(反向)两种方向的绕制。结合图2并分别对应图3、图4和图5所示，同一个定子齿112上的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y对应的绕向具有：+(正向)与+(正向)、-(反向)与-(反向)、+(正向)与-(反向)以及-(反向)与+(正向)这四种情况。其中，“+(正向)与+(正向)、-(反向)与-(反向)”对应的是正相位。“+(正向)与-(反向)、-(反向)与+(正向)”对应的是负相位。正相位对应的元件的数量与负相位对应的元件数相等。
3)根据输出绕组形式计算出输出绕组系数kw，输出绕组系数kw的计算公式如下：
Figure GDA0003528288750000071
其中，kw为绕组系数，ky为短距系数，kp为分布系数，Z为槽数，P为极对数，qd为每极每相等效槽数，γd为每槽等效电角度。
Figure GDA0003528288750000072
γ为每槽实际电角度。
对于60°相带，
Figure GDA0003528288750000073
qd＝bd+c；q为每极每相实际槽数，m为相数，m＝3。
对于120°相带，
Figure GDA0003528288750000074
qd＝bd+c；q为每极每相实际槽数，m为相数，m＝3。
对于60°相带，
Figure GDA0003528288750000075
对于120°相带，
Figure GDA0003528288750000081
4)计算出每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件Y的匝数：
Figure GDA0003528288750000082
Wa为每相输出绕组的总匝数。
Q＝2pq，P为极对数，q为每极每相实际槽数，Q为每相所有输出绕组元件Y的数量。
Figure GDA0003528288750000083
wa为每个输出绕组元件Y的匝数。
注：Wa和wa可能会是分数，这时需要取整为相近的整数。
如图3和图2所示，取槽数Z为12，极对数P为5，进行举例说明。
1)首先计算出每相输出绕组的有效匝数Wef。
2)此时，只有一个星形图，取60°相带时，每相对应有四个输出绕组元件Y，结合图3和图2所示，励磁绕组Q的各励磁绕组元件X和输出绕组A、B、C的各输出绕组元件Y的绕向关系如表1所示，由表1可知恒定分量可以互相抵消。
表1
Figure GDA0003528288750000084
Figure GDA0003528288750000091
3)校核恒定分量
如图3和图2所示，每相四个输出绕组元件Y，以单相输出绕组A为例：励磁绕组Q的励磁绕组元件X和输出绕组A的输出绕组元件Y的绕向关系是：槽号1对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为+(正向)与+(正向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为+。
槽号2对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为-(反向)与+(正向)，输出绕组元件Y中恒定分量为-。
槽号7对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为+(正向)与-(反向)，输出绕组元件Y中恒定分量为-。
槽号8对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为-(反向)与-(反向)，输出绕组元件Y中恒定分量为+。
可以看出，四个槽中的输出绕组元件Y对应的恒定分量分别为“+、-、-、+”，能够互相抵消，输出绕组A的总恒定分量为零。同理，输出绕组B和输出绕组C的总恒定分量均为零。因此，在槽数Z为12且极对数P为5的条件下，能够采用60°相带的绕组。
4)计算输出绕组系数kw
ky＝sin(Pπ/Z)＝0.966
kp＝sin(qdγd/2)/[qd sin(γd/2)]＝0.966
kw＝kykp＝0.933
5)计算每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件Y的匝数
Figure GDA0003528288750000101
Q＝2pq
Figure GDA0003528288750000102
如图4和图2所示，取槽数Z为12，极对数P为4，相带取60°，进行举例说明。
1)首先计算出每相输出绕组的有效匝数Wef。
2)取极对数P为4时，三个定子槽构成一个完整的星形图。一个星形图里的每相输出绕组内只有一个输出绕组元件Y，励磁绕组Q的各励磁绕组元件X和输出绕组A、B、C中各输出绕组元件Y的绕向关系如表2所示。
表2
Figure GDA0003528288750000103
Figure GDA0003528288750000111
3)校核恒定分量
如图4和图2所示，以输出绕组A为例：槽号1对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为+(正向)与+(正向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为+。
槽号4对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为-(反向)与-(反向)，输出绕组元件Y中恒定分量为+。
槽号7对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为+(正向)与+(正向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为+。
槽号10对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为-(反向)与-(反向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为+。
可以看出，四个槽内的输出绕组元件Y对应的恒定分量分别为“+、+、+、+”，由于输出绕组A的总恒定分量均为+，所以不能互相抵消。同理，输出绕组B和输出绕组C总的恒定分量也均为+。因此，在槽数Z为12且极对数P为4的条件下，不能采用相带为60°的绕组。
如图5和图2所示，取槽数Z为12，极对数P为4，相带取120°，进行举例说明。
1)首先计算出每相输出绕组的有效匝数Wef。
2)一个星形图内的每相输出绕组具有二个输出绕组元件Y，励磁绕组Q的各励磁绕组元件X和输出绕组A、B、C的各输出绕组元件Y的绕向关系如表3所示：
表3
Figure GDA0003528288750000121
3)校核恒定分量
如图5和图2所示，每相输出绕组内有八个输出绕组元件Y，以输出绕组A为例：因为极对数是4，每三个槽构成一对极。因此考察前两对极即可，励磁绕组Q的各励磁绕组元件X和输出绕组A、B、C的各输出绕组元件Y的绕向关系是：
槽号1对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为+(正向)与+(正向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为+。
槽号2对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为-(反向)与+(正向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为-。
槽号4对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为-(反向)与-(反向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为+。
槽号5对应的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的绕向关系为+(正向)与-(反向)，输出绕组元件Y中的恒定分量为-。
可以看出，四个槽内的输出绕组元件F对应的恒定分量分别为“+、-、+、-”，能够互相抵消，输出绕组A的总的恒定分量为零。同理，输出绕组B和输出绕组C的总的恒定分量均为零。因此，在槽数Z为12，极对数P为4的条件下，能够采用120°相带的绕组。
4)计算输出绕组系数kw
ky＝sin(Pπ/Z)＝0.866
kp＝sin(qdγd/2)/[qd sin(γd/2)]＝0.866
kw＝kykp＝0.75
5)计算每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件Y的匝数
Figure GDA0003528288750000131
Q＝2pq
Figure GDA0003528288750000132
一实施方式中，一种磁阻式自整角机用绕组的绕制方法，包括：
步骤1、在定子齿上绕制励磁绕组Q；所有的定子齿上均绕制有励磁绕组元件X。所有励磁绕组元件X依次呈正向绕制和反向绕制重复绕制在对应的定子齿。
步骤2、结合槽数、极对数、相带分布以及励磁绕组的绕制规律和方向，在定子齿上绕制输出绕组，以消除输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。将每一相的输出绕组的输出绕组元件Y绕制在定子齿上。在多个定子齿上分别同时绕制有励磁绕组元件X和单相输出绕组的输出绕组元件Y时，形成正相位的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的总数量与形成负相位的励磁绕组元件X和输出绕组元件Y的总数量相等。
本文中举了在槽数Z为12，极对数为5，相带分布为60°相带的条件下、在槽数Z为12，极对数为4，相带分布为60°相带的条件下以及在槽数Z为12，极对数为4，相带分布为120°相带的条件下的例子，以帮助更好的理解本方案。当然，槽数Z，极对数，相带分布也可以设定为其他数值。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，包括：
励磁绕组，能够产生随转角变化的励磁主磁链，同时产生不随转角变化的漏磁链；以及
星形连接的三相对称输出绕组，所述输出绕组和励磁绕组均绕制于定子齿上且置放于定子槽内，所述励磁绕组包括多个相连的励磁绕组元件，所述输出绕组包括多个相连的输出绕组元件，相邻两个所述励磁绕组元件的绕向相反，所述输出绕组元件呈60°相带或者120°相带分布绕制；
若同一个所述定子齿上的励磁绕组元件和输出绕组元件在对应的定子槽中的绕制均为正向绕制或均为反向绕制，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为+，若分别为正向绕制和反向绕制，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为-；当为+的恒定分量所对应的所述输出绕组元件数量和为-的恒定分量所对应的所述输出绕组元件数量相等，则能够消除所述输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。
2.如权利要求1所述的磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，所述励磁绕组元件在相邻两个所述定子槽内均形成有第一有效边层，所述输出绕组元件在相邻两个所述定子槽内均形成有第二有效边层，每个所述定子槽内形成的第一有效边层的数量和第二有效边层的数量的总和为四层或六层。
3.如权利要求1所述的磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，所述励磁绕组元件的数量与所述定子齿的数量相等，所述输出绕组元件的数量为偶数。
4.如权利要求3所述的磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，所述输出绕组元件的数量等于所述定子齿数量的三分之一或三分之二。
5.如权利要求1所述的磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，所述励磁绕组元件和输出绕组元件的节距均等于一个齿距。
6.如权利要求1所述的磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，所述定子槽和定子齿的数量均为6的整数倍。
7.如权利要求1所述的磁阻式自整角机用绕组，其特征在于，所述输出绕组为分布短距式绕组。
8.一种磁阻式自整角机用绕组的绕制方法，其特征在于，包括：
步骤1、在定子齿上绕制励磁绕组元件，相邻两个所述励磁绕组元件的绕向相反；
步骤2、在所述定子齿上呈60°相带或者120°相带分布绕制输出绕组元件，若同一个所述定子齿上的励磁绕组元件和输出绕组元件在对应的定子槽中的绕向均为正绕向或反绕向，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为+，若分别为正绕向和反绕向，则对应的所述输出绕组元件内的恒定分量为-；当为+的恒定分量所对应的所述输出绕组元件数量和为-的恒定分量所对应的所述输出绕组元件数量相等，则能够消除所述输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。
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