CN113936900B - 变磁通旋转变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种变磁通旋转变压器，包括定子铁芯、绕组以及转子；定子铁芯与转子之间形成有气隙空间，转子的外端面呈正弦轮廓形状；绕组绕设在定子铁芯上，绕组能够在气隙空间内形成正弦函数状态分布的气隙磁通量。绕组包括绕组引出端、输入激励绕组以及正余弦输出信号绕组。本发明通过外端面轮廓呈正弦轮廓形状的转子，以及能够在气隙空间形成正弦式分布的磁通量的绕组相配合，通过变磁通实现正余弦电压信号输出；通过正弦规律分布的三维结构的转子结构简单、设计尺寸小的特点，有助于降低变压器的重量和体积，从而有助于为旋转驱动系统提供高可靠性、超轻量化、超薄尺寸的速度及位置信号反馈元件。
Description
技术领域
本发明涉及旋转变压器结构及原理设计技术领域，具体地，涉及一种变磁通旋转变压器。
背景技术
当前，伺服驱动系统、航空航驱动天系统电动化、无人机及商业卫星等正在被广泛研究及推广引用，其系统中广泛使用的当前位置传感器，主要使用光电编码器或无刷旋转变压器，在前者光电编码器中，因为其具有码盘和电子器件，耐高温和低温不够，抗震动和冲击等级不高，因为其不耐辐照而尤其不能应用于外太空中作为位置反馈元件。
现有一种公开号为CN206341110U的中国专利，其公开了一种旋转变压器和具有这种旋转变压器的旋转体。该旋转变压器包括定子和转子，定子具有定子检测齿，转子具有转子凸极。旋转变压器还包括线圈，每个线圈绕在定子检测齿上；定子还包括定子解耦齿，以减小或消除绕有线圈的不同的定子检测齿之间的磁通干扰。
发明人认为，现有技术的变压器，重量和体积大，从而限制其在航空航天系统中的适用性，存在待改进之处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变磁通旋转变压器。
根据本发明提供的一种变磁通旋转变压器,包括定子铁芯、绕组以及转子；所述定子铁芯与所述转子之间形成有气隙空间，所述转子的外端面呈正弦轮廓形状；所述绕组绕设在定子铁芯上，所述绕组包括绕组引出端，所述绕组能够在所述气隙空间内形成正弦函数状态分布的气隙磁通量；所述绕组包括正余弦输出信号绕组，所述正余弦输出绕组用于感应电压信号；所述转子的有效磁路的面积△S满足△S=k*S*sinθ，k为极对数折算系数，S为所述转子的外圆的总面积，θ为电角度；所述正余弦输出绕组的单位线圈i，所述转子的有效磁路的面积△S，穿过线圈的磁通量△Φ，满足△Φ=Bδ*△S，Bδ为气隙磁密；正弦输出绕组单位线圈感应电势为△esi，△esi=4.44*kw*△Φ=4.44*kw*k*Bt*S*sinθ*sinωt，余弦输出绕组单位线圈感应电势为△eci，△eci=4.44*kw*△Φ=4.44*kw*k*Bt*S*cosθ*sinωt；kw为绕组的折算系数，k为极对数折算系数，S为所述转子的外圆的总面积，θ为电角度，Bt为气隙磁密幅值Bδ维持的常量，ω为激励电压的角频率。
优选地，所述绕组包括输入激励绕组，所述输入激励绕组通入正弦激励电压信号，产生主磁通。
优选地，所述输入激励绕组为整距为一的单层分布绕组，所述输入激励绕组与所述正余弦输出绕组配合形成共磁路结构。
优选地，所述转子的外圆耦合面为正弦规律分布的三维结构。
优选地，所述气隙空间为等气隙结构。
优选地，所述定子铁芯与所述转子均由导磁材料构成。
优选地，所述转子的径向厚度≤3mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过外端面轮廓呈正弦轮廓形状的转子，以及能够在气隙空间形成正弦式分布的磁通量的绕组相配合，通过变磁通实现正余弦电压信号输出；通过正弦规律分布的三维结构的转子结构简单、设计尺寸小的特点，有助于降低变压器的重量和体积，从而有助于为旋转驱动系统提供高可靠性、超轻量化、超薄尺寸的速度及位置信号反馈元件。
2、本发明通过单位面积的磁通量成正弦分布规律，使正余弦输出绕组的感应电压按正弦规律分布，从而使正余弦绕组中感应的电压信号幅值分别随转子位置的变化成正余弦函数分布，有助于正弦输出信号形式和余弦输出信号形式成为标准旋转变压器输出信号，进而有助于提高旋转变压器的适用性。
3、本发明通过变磁通旋转变压器的超薄型设计，有助于应用在高速、强振动以及安装紧凑的航空航天等环境中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明主要体现变磁通旋转变压器的实施方式结构示意图；
图2为本发明主要体现转子三维示意图。
图中所示：
| 定子铁芯1 | 绕组引出端3 |
| 绕组2 | 转子4 |
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种变磁通旋转变压器，包括定子铁芯1、绕组2以及转子4。转子4套设安装在定子铁芯1上，定子铁芯1与转子4之间形成有气隙空间，转子4的外端面呈正弦轮廓形状。绕组2绕设在定子铁芯1上，绕组2包括绕组引出端3，绕组2能够在气隙空间内形成正弦函数状态分布的气隙磁通量，且绕组2还能够在转子4呈正弦轮廓形状的外端面的作用下，感应出成正余弦函数规律变化的电压信号。
定子铁芯1与转子4均由导磁材料构成，定子铁芯1与转子4同轴套设，从而气隙空间为等气隙结构。定子铁芯1与转子4配合形成有效主磁通磁路的通道，用于引导主磁通按预先设计的路线通过，从而控制空间气隙磁场的按所需的规律分布。
绕组2包括正弦输出绕组、余弦输出绕组以及输入激励绕组，三者均从绕组引出端3引出。正余弦输出绕组用于感应电压信号，输入激励绕组为整距为一的单层分布绕组，输入激励绕组与正余弦输出绕组配合形成共磁路结构。
输入激励绕组通入正弦激励电压信号，产生主磁通。转子4为主磁通的磁场通道，转子4的外端面呈正弦轮廓形状，目的是使气隙磁通量成正弦分布，利用单位面积的磁通量成正弦分布规律，使得正余弦输出绕组的感应电压成正弦规律分布，从而使正余弦绕组中感应的电压信号幅值分别随转子4位置的变化成正余弦函数分布，因此正弦输出信号形式和余弦输出信号形式便成为标准旋转变压器输出信号。
如图2所示，具体的，转子4的外圆耦合面为正弦规律分布的三维结构，从而使正余弦绕组中的每一匝对应的磁通量按正弦规律变化。转子4的有效磁路的面积△S满足△S=k*S*sinθ，k为极对数折算系数，S为转子4的外圆的总面积，θ为电角度。感应的电压信号幅值分别随转子4位置的变化成正余弦函数分布，从而正弦输出信号形式和余弦输出信号形式便成为标准旋转变压器输出信号形式。
本申请具有外圆耦合面成正弦规律分布的三维结构的转子4，较现有的转子相比，转子4结构较为简单，尺寸更小，用料更少，可以实现转子径向厚度≤3mm，进而实现轻量化，能够更好的应用于超高速、强振动的环境。
正余弦输出绕组在气隙空间内交变的主磁通作用下感应出成正余弦函数规律变化的电压信号，因为转子4外圆的耦合面积是按正弦分布的，所以每一匝绕组对应的耦合面积不一样，耦合的磁通也就不一样，感应的电势大小呈正弦规律变化，每一相绕组的各个不同的匝数的感应电势合成为其输出电压幅值，输出电压幅值也具有正余弦分布规律。
假设激励电压的角频率为ω，在某一时刻t，工作气隙内气隙磁密幅值Bδ维持某一常量Bt，在转子4旋转过程中，改变了正余弦输出绕组单位线圈i对应的转子4有效磁路的面积△S，进而改变了穿过线圈的磁通量△Φ，即△Φ=Bδ*△S，Bδ为气隙磁密，正弦输出绕组单位线圈感应电势为△esi，△esi=4.44*kw*△Φ=4.44*kw*k*Bt*S*sinθ*sinωt；同理，余弦输出绕组单位线圈感应电势为△eci，△eci=4.44*kw*△Φ=4.44*kw*k*Bt*S*cosθ*sinωt；从而使输出绕组感应电压的幅值按正余弦规律输出。
即输出电压模型简化为：
正弦输出：Us=Vm*sinθ*sinωt
余弦输出：Uc=Vm*cosθ*sinωt
公式中Us为正弦输出电压，Uc为正弦输出电压、，Vm为输出电压最大幅值，k为极对数折算系数，S为转子4的外圆的总面积，θ为电角度，kw为绕组的折算系数。
本发明通过定子铁芯1、绕组2以及转子4的配合，正弦输出信号形式和余弦输出信号形式成为标准旋转变压器输出信号，提高了旋转变压器的适用性。进一步的，转子4的径向厚度≤3mm，变磁通旋转变压器的径向厚度≤10mm，重量可减轻25%以上。变磁通旋转变压器进行超薄型设计，其能够应用于高速、强振动以及安装紧凑的航空航天等环境中，为旋转驱动系统提供高可靠性、超轻量化、超薄尺寸的速度及位置信号反馈元件。
工作原理
变磁通旋转变压器包括定子铁芯、绕组以及转子，绕组包括正余弦输出绕组以及输入激励绕组，定子铁芯与转子之间形成有气隙空间。输入激励绕组通入正弦激励电压信号，在气隙空间产生主磁通。气隙磁通量成正弦分布，利用单位面积的磁通量成正弦分布规律，使得正余弦输出绕组的感应电压成正弦规律分布，从而使正余弦绕组中感应的电压信号幅值分别随转子位置的变化成正余弦函数分布，因此正弦输出信号形式和余弦输出信号形式便成为标准旋转变压器输出信号。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种变磁通旋转变压器，其特征在于，包括定子铁芯（1）、绕组（2）以及转子（4）；所述定子铁芯（1）与所述转子（4）之间形成有气隙空间，所述转子（4）的外端面呈正弦轮廓形状；
所述绕组（2）绕设在定子铁芯（1）上，所述绕组（2）包括绕组引出端（3），所述绕组（2）能够在所述气隙空间内形成正弦函数状态分布的气隙磁通量；
所述绕组（2）包括正余弦输出信号绕组，所述正余弦输出绕组用于感应电压信号；
所述转子（4）的有效磁路的面积△S满足△S=k*S*sinθ，k为极对数折算系数，S为所述转子（4）的外圆的总面积，θ为电角度；
所述正余弦输出绕组的单位线圈i，所述转子（4）的有效磁路的面积△S，穿过线圈的磁通量△Φ，满足△Φ=Bδ*△S，Bδ为气隙磁密；
正弦输出绕组单位线圈感应电势为△esi，△esi=4.44*kw*△Φ=4.44*kw*k*Bt*S*sinθ*sinωt，余弦输出绕组单位线圈感应电势为△eci，△eci=4.44*kw*△Φ=4.44*kw*k*Bt*S*cosθ*sinωt；
kw为绕组的折算系数，k为极对数折算系数，S为所述转子（4）的外圆的总面积，θ为电角度，Bt为气隙磁密幅值Bδ维持的常量，ω为激励电压的角频率。
2.如权利要求1所述的变磁通旋转变压器，其特征在于，所述绕组（2）包括输入激励绕组，所述输入激励绕组通入正弦激励电压信号，产生主磁通。
3.如权利要求2所述的变磁通旋转变压器，其特征在于，所述输入激励绕组为整距为一的单层分布绕组，所述输入激励绕组与所述正余弦输出绕组配合形成共磁路结构。
4.如权利要求1所述的变磁通旋转变压器，其特征在于，所述转子（4）的外圆耦合面为正弦规律分布的三维结构。
5.如权利要求1所述的变磁通旋转变压器，其特征在于，所述气隙空间为等气隙结构。
6.如权利要求1所述的变磁通旋转变压器，其特征在于，所述定子铁芯（1）与所述转子（4）均由导磁材料构成。
7.如权利要求1所述的变磁通旋转变压器，其特征在于，所述转子（4）的径向厚度≤3mm。
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