CN104200972B - 消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法 - Google Patents

Abstract

消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，属于变压器技术领域，以解决径向磁阻式旋转变压器精度低，体积随极对数的增加而增大问题。定子与转子间具有不相等的气隙，定子的内表面沿轴向加工有2NP个定子槽和2NP个定子齿，励磁绕组安放在2NP个定子槽中，且逐个定子槽反向串联，粗机正、余弦信号绕组以及精机正、余弦信号绕组分四层设置并按正弦规律缠绕于2NP个定子齿上。对于粗机正弦信号绕组，任意选取一个过定子轴线且不与定子齿相交的平面一，沿顺时针将2NP个定子齿均分成两组；第一组沿逆时针绕线，第二组沿顺时针绕线；粗机正、余弦信号绕组相差90°电角度。本发明用于旋转编码器无法正常工作的场合。

Description

消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法

技术领域

本发明涉及一种粗精耦合径向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，属于变压器技术领域。

背景技术

磁阻式旋转变压器是近年来快速发展的一种旋转变压器，目前广泛应用的磁阻式旋转变压器是不等气隙磁阻式旋转变压器。现有的磁阻式旋转变压器通常采用径向的磁路结构，励磁和信号绕组均放置在定子齿上，转子采用凸极结构。现有的径向磁阻式旋转变压器不仅精度相对较低，而且体积随极对数的增加也有显著增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，以解决现有的径向磁阻式旋转变压器精度低，体积随极对数的增加而增大，应用领域受限的问题。

实现上述目的，采取的技术方案如下：

本发明的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器，包括定子、转子、励磁绕组、粗机正弦信号绕组、粗机余弦信号绕组、精机正弦信号绕组及精机余弦信号绕组，定子为圆筒形状；定子与转子之间具有不相等的气隙，定子的内表面沿轴向加工有2NP个定子槽和2NP个定子齿，2NP个定子槽沿定子的内表面圆周均布设置，相邻两个定子槽之间为所述的定子齿；其中，N为自然数，N的取值范围为2～15，P为转子极对数；励磁绕组安放在2NP个定子槽中，且逐个定子槽反向串联，励磁绕组分布于各定子槽中的匝数相等；粗机正弦信号绕组按正弦规律缠绕于2NP个定子齿的同一层上；粗机余弦信号绕组按正弦规律缠绕于2NP个定子齿的同一层上；精机正弦信号绕组按正弦规律缠绕于2NP个定子齿的同一层上；精机余弦信号绕组按正弦规律缠绕于2NP个定子齿的同一层上；且粗机正弦信号绕组、粗机余弦信号绕组、精机正弦信号绕组及精机余弦信号绕组分四层设置。

本发明的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的方法包括下述步骤：

步骤一、对于粗机正弦信号绕组而言，任意选取一个过定子的轴线且不与定子齿相交的平面一，并以该平面一为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿按照粗机正弦相均分成两组；第一组中的相邻的NP个定子齿沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP个定子齿沿顺时针方向绕线；

步骤二、对于粗机余弦信号绕组而言，任意选取一个过定子的轴线且不与定子齿相交的平面二，并以该平面二为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿按照粗机余弦相均分成两组；第一组中的相邻的NP个定子齿沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP个定子齿沿顺时针方向绕线；粗机余弦信号绕组与粗机正弦信号绕组相位上相差90°电角度；

步骤三、对于精机正弦信号绕组而言，以平面一为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿均分为P部分，由平面一的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N个定子齿按照精机正弦相均分为两组，第一组相邻的N个定子齿逆时针方向绕线，第二组相邻的N个定子齿顺时针方向绕线；精机正弦信号绕组其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；

步骤四、对于精机余弦信号绕组而言，以平面三为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿均分为P部分，由平面三的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N个定子齿按照精机余弦相均分为两组，第一组相邻的N个定子齿逆时针方向绕线，第二组相邻的N个定子齿顺时针方向绕线；精机余弦信号绕组其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；精机余弦信号绕组与精机正弦信号绕组相位上相差90°电角度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器作为一种伺服系统的速度以及位置传感器，可以大幅度提高铁心利用率，提高旋转变压器精度，同时提供绝对零位。

2、精机部分与粗机部分共用同一套励磁绕组，共用同一磁通路径。其磁阻变化采用改变磁路耦合面积的原理。精机部分正余弦信号绕组为不等匝绕组，粗机部分的正余弦信号绕组同样也为不等匝绕组，并都是按正弦规律排线，正、余弦信号绕组缠绕于不同绕线层。这种特殊的形式简单，可以广泛应用于多种工业领域。

3、本发明提出的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器是一种可靠性高的位置传感器，具有高精度，小体积等优点，适用于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，在未来的位置检测方面具有广泛的发展空间。

4、本发明的方法可以有效地降低谐波误差含量，从而在已有的磁阻式旋转变压器基础上提高测量精度。

附图说明

图1为消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器的结构示意图；

图2为消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器的粗机部分与精机部分的正余弦信号绕组匝数分布图；图中E指代精机正弦相，F指代精机余弦相，M指代粗机正弦相，G指代粗机余弦相，黑色区域表示为所对应信号绕组的匝数值；

图3为消谐波式粗精耦合径向磁路旋变的转子结构合成示意图，图中用X指代的图表达的是P₁＝P，其中P₁表示一对极转子；用Y指代的图表达的是P₂＝1，其中P₂表示多对极转子；用Z指代的图表达的是P₁与P₂合成结构。

图中公开的部件名称及标号如下：

转子1、定子2、气隙3、粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6、精机余弦信号绕组7、励磁绕组8、平面三9、平面二10、平面一11、定子槽12、定子齿13。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图3所示，消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器，包括定子2、转子1、励磁绕组8、粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6及精机余弦信号绕组7，定子2为圆筒形状；定子2与转子1之间具有不相等的气隙3，定子2的内表面沿轴向加工有2NP个定子槽12和2NP个定子齿13，2NP个定子槽12沿定子2的内表面圆周均布设置，相邻两个定子槽12之间为所述的定子齿13；其中，N为自然数，N的取值范围为2～15，P为转子1极对数；励磁绕组8安放在2NP个定子槽12中，且逐个定子槽12反向串联，励磁绕组8分布于各定子槽12中的匝数相等；粗机正弦信号绕组4按正弦规律缠绕于2NP个定子齿13的同一层上；粗机余弦信号绕组5按正弦规律缠绕于2NP个定子齿13的同一层上；精机正弦信号绕组6按正弦规律缠绕于2NP个定子齿13的同一层上；精机余弦信号绕组7按正弦规律缠绕于2NP个定子齿13的同一层上；且粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6及精机余弦信号绕组7分四层设置(即不在同一层上)。

所述的转子1由导磁材料制成。

所述的转子1为径向凸极结构，径向凸极结构是一对极的正弦波形与P对极的正弦波形沿转子1轴向叠加的合成结构，实现粗精耦合作用。

所述的定子2为由数个硅钢片叠压成的圆筒形状的铁心。此结构可有效地降低损耗。

所述的粗机正弦信号绕组4的总匝数与粗机余弦信号绕组5总匝数相等；精机正弦信号绕组6的总匝数与精机余弦信号绕组7的总匝数相等。保证粗机正、余弦信号绕组的输出电势幅值相等以及精机正、余弦信号绕组的输出电势幅值相等。

具体实施方式二：如图1、图2所示，具体实施方式一所述的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的方法包括下述步骤：

步骤一、对于粗机正弦信号绕组4而言，任意选取一个过定子2的轴线且不与定子齿13相交的平面一11，并以该平面一11为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿13按照粗机正弦相M均分成两组；第一组中的相邻的NP个定子齿13沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP个定子齿13沿顺时针方向绕线；

步骤二、对于粗机余弦信号绕组5而言，任意选取一个过定子2的轴线且不与定子齿13相交的平面二10，并以该平面二10为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿13按照粗机余弦相G均分成两组；第一组中的相邻的NP个定子齿13沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP个定子齿13沿顺时针方向绕线；粗机余弦信号绕组5与粗机正弦信号绕组4相位上相差90°电角度；

步骤三、对于精机正弦信号绕组6而言，以平面一11为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿13均分为P部分，由平面一11的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N个定子齿13按照精机正弦相E均分为两组，第一组相邻的N个定子齿13逆时针方向绕线，第二组相邻的N个定子齿13顺时针方向绕线；精机正弦信号绕组6其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；

步骤四、对于精机余弦信号绕组7而言，以平面三9为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿13均分为P部分，由平面三9的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N个定子齿13按照精机余弦相F均分为两组，第一组相邻的N个定子齿13逆时针方向绕线，第二组相邻的N个定子齿13顺时针方向绕线；精机余弦信号绕组7其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；精机余弦信号绕组7与精机正弦信号绕组6相位上相差90°电角度。

具体实施方式三：具体实施方式二所述的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的方法中，

粗机正弦信号绕组4的匝数分布为

$W_1=Q_1\sin \left(\frac{A_1\mathrm{\π}}{\mathrm{NP}}\right)$

粗机余弦信号绕组5的匝数分布为

$W_2=Q_2\·\sin (\frac{A_2\mathrm{\π}}{\mathrm{NP}}-\frac{\mathrm{\π}}{2})$

精机正弦信号绕组6的匝数分布为

$W_3=Q_3\·\sin \left(\frac{A_3\mathrm{\π}}{N}\right)$

精机余弦信号绕组7的匝数分布为

$W_4=Q_4\·\sin (\frac{A_4\mathrm{\π}}{N}-\frac{\mathrm{\π}}{2P})$

式中，W₁、W₂、W₃、W₄分别为一个定子齿13上粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6、精机余弦信号绕组7的匝数，W₁、W₂、W₃、W₄的值要求取整；W₁、W₂、W₃、W₄为负值时表示反向绕线；Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别为预取粗机正弦信号绕组4、粗机余弦信号绕组5、精机正弦信号绕组6、精机余弦信号绕组7匝数的幅值，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的单位为匝；A₁、A₂分别为粗机正弦信号绕组4和粗机余弦信号绕组5中距平面一11和平面二10的定子齿13个数；A₃、A₄分别为精机正弦信号绕组4和精机余弦信号绕组5中距平面一11和平面三9的定子齿13个数；A₁与A₂的取值范围均为0～2NP，A₃与A₄的取值范围均为0～2N。

Claims (2)

1.消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，包括定子(2)、转子(1)、励磁绕组(8)、粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)及精机余弦信号绕组(7)，定子(2)为圆筒形状；定子(2)与转子(1)之间具有不相等的气隙(3)，定子(2)的内表面沿轴向加工有2NP个定子槽(12)和2NP个定子齿(13)，2NP个定子槽(12)沿定子(2)的内表面圆周均布设置，相邻两个定子槽(12)之间为所述的定子齿(13)；其中，N为自然数，N的取值范围为2~15，P为转子(1)极对数；励磁绕组(8)安放在2NP个定子槽(12)中，且逐个定子槽(12)反向串联，励磁绕组(8)分布于各定子槽(12)中的匝数相等；粗机正弦信号绕组(4)按正弦规律缠绕于2NP个定子齿(13)的同一层上；粗机余弦信号绕组(5)按正弦规律缠绕于2NP个定子齿(13)的同一层上；精机正弦信号绕组(6)按正弦规律缠绕于2NP个定子齿(13)的同一层上；精机余弦信号绕组(7)按正弦规律缠绕于2NP个定子齿(13)的同一层上；且粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)及精机余弦信号绕组(7)分四层设置，其特征是：所述的方法包括下述步骤：

步骤一、对于粗机正弦信号绕组(4)而言，任意选取一个过定子(2)的轴线且不与定子齿(13)相交的平面一(11)，并以该平面一(11)为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿(13)按照粗机正弦相M均分成两组；第一组中的相邻的NP个定子齿(13)沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP个定子齿(13)沿顺时针方向绕线；

步骤二、对于粗机余弦信号绕组(5)而言，任意选取一个过定子(2)的轴线且不与定子齿(13)相交的平面二(10)，并以该平面二(10)为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿(13)按照粗机余弦相G均分成两组；第一组中的相邻的NP个定子齿(13)沿逆时针方向绕线，第二组中的相邻的NP个定子齿(13)沿顺时针方向绕线；粗机余弦信号绕组(5)与粗机正弦信号绕组(4)相位上相差90°电角度；

步骤三、对于精机正弦信号绕组(6)而言，以平面一(11)为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿(13)均分为P部分，由平面一(11)的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N个定子齿(13)按照精机正弦相E均分为两组，第一组相邻的N个定子齿(13)逆时针方向绕线，第二组相邻的N个定子齿(13)顺时针方向绕线；精机正弦信号绕组(6)其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；

步骤四、对于精机余弦信号绕组(7)而言，以平面三(9)为基准，沿顺时针方向将2NP个定子齿(13)均分为P部分，由平面三(9)的基准位置开始沿顺时针方向将第一部分2N个定子齿(13)按照精机余弦相F均分为两组，第一组相邻的N个定子齿(13)逆时针方向绕线，第二组相邻的N个定子齿(13)顺时针方向绕线；精机余弦信号绕组(7)其他的P-1部分绕线方式与第一部分相同；精机余弦信号绕组(7)与精机正弦信号绕组(6)相位上相差90°电角度。

2.根据权利要求1所述的消谐波粗精耦合径向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，其特征是：

粗机正弦信号绕组(4)的匝数分布为

粗机余弦信号绕组(5)的匝数分布为

精机正弦信号绕组(6)的匝数分布为

精机余弦信号绕组(7)的匝数分布为

式中，W₁、W₂、W₃、W₄分别为一个定子齿(13)上粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)、精机余弦信号绕组(7)的匝数，W₁、W₂、W₃、W₄的值要求取整；W₁、W₂、W₃、W₄为负值时表示反向绕线；Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别为预取粗机正弦信号绕组(4)、粗机余弦信号绕组(5)、精机正弦信号绕组(6)、精机余弦信号绕组(7)匝数的幅值，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的单位为匝；A₁、A₂分别为粗机正弦信号绕组(4)和粗机余弦信号绕组(5)中距平面一(11)和平面二(10)的定子齿(13)个数；A₃、A₄分别为精机正弦信号绕组(4)和精机余弦信号绕组(5)中距平面一(11)和平面三(9)的定子齿(13)个数；A₁与A₂的取值范围均为0~2NP，A₃与A₄的取值范围均为0~2N。