旋转变压器基本工作原理

1. 概述

旋转变压器,又称同步分解器,是一种电磁式传感器,精密测位用的机电元件,其输出电信号与转子转角成某种函数关系。

旋转变压器也是一种测量角度用的小型交流电动机,主要用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。

作为速度及位置传感元件,常用的有这样几种:光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。

由于制作和精度的缘故,磁性编码器没有其他两种普及。

光学编码器的输出信号是脉冲,由于是天然的数字量,数据处理比较方便,因而得到了很好的应用。

早期的旋转变压器,由于信号处理电路比较复杂,价格比较贵的原因,应用受到了限制。

因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性,特别是高温,严寒、潮湿、高速、高振等。

以及具有足够高的精度,在许多场合有着不可代替的地位,特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。

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2. 旋转变压器的类型

从电机原理来看,旋转变压器又是一种能旋转的变压器。

这种变压器的原、副边绕组分别装在定、 转子上。

原、副边绕组之间的电磁耦合程度由转子的转角决定, 故转子绕组的输出电压大小及相位必然与转子的转角有关。

按旋转变压器的输出电压和转子转角间的函数关系,旋转变压器可分为正余弦旋转变压器、 线性旋转变压器以及比例式旋转变压器。

按电机极数的多少来分,常见的旋转变压器一般有两级绕组和四极绕组两种结构形式,两级绕组变压器的定子和转子各有一对磁极。

除此之外,还有多极旋转变压器,用于高精度检测系统。

按有无电刷与滑环间的滑动接触来分类,旋转变压器可分为接触式和无接触式两大类,其中无接触式旋转变压器运行可靠,抗震动,适应恶劣环境。

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3. 正余弦旋转变压器

旋转变压器的典型结构与一般绕线式异步电动机相似。

它由定子和转子两大部分组成,其中定子作为一次侧,转子绕组作为变压器二次侧,每一大部分又有自己的电磁部分和机械部分, 下面以正余弦旋转变压器的典型结构分析。

3.1 正余弦变压器的结构

为了使气隙磁通密度分布呈正弦规律,获得在磁通耦合和电气上的良好对称性,从而提高旋转变压器的精度,旋转变压器大多设计成隐极式的定子和转子结构。

电磁部分仍由可导电的绕组和能导磁的铁芯组成,定子转子铁芯是采用导磁性能良好的硅钢片薄板冲成的槽状片叠装而成。

为了提高精度,通常采用铁镍软磁合金或高硅电工钢等高磁导率材料。

并采用频率为400Hz的励磁电源。

结构如下图

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正余弦变压器的结构图

如图所示,旋转变压器定子绕组和转子绕组都安装两套在空间互差90°电角度(电角度=机械角度×极对数),结构上完全相同的对称分布绕组,且导线截面、连接方式、绕组匝数都相同。

定子上的两套绕组分别叫定子励磁绕组(引线端D1-D2)和定子交轴绕组(又叫补偿绕组,引线端为D3-D4)。

转子上两套绕组分别为正选输出绕组和余弦输出绕组。

有时也可以在转子上励磁

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结构示意图

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电气示意图

结构上,旋转变压器定子、转子和绕线式异步电机类似,定子绕组通过固定在机壳上的接线柱直接引出。

定子和转子之间的空气隙是均匀的,气隙磁场一般为两极。

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定子绕组端点直接引致接线板上,而转子有两种不同的引出方式。

根据引出方式的不同,旋转变压器分为优刷式和无刷式,有刷式特点是结构简单、体积小,但是因为电刷和滑环是机械滑动接触的,所以它的可靠性差,寿命也较短。

无刷旋变如下图所示,其结构分为两大部分,即旋变本体和附加变压器。

附加变压器一次侧和二次侧铁芯及其线圈均为环形,分别固定在转子轴和机壳上。

旋变转子线圈和附加变压器一次侧线圈连接在一起。

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3.2 正余弦变压器工作原理

旋转变压器是一个能够转动的变压器,在各定子绕组上加上交流电压后,转子绕组中由于交链磁通的变化产生感应电压,感应电压与励磁电压相关的耦合系数随转子转角而改变。

因此,测得输出电压,就可以知道转子转角的大小。

正余弦变压器原理图如图所示,以定子励磁绕组D1-D2的轴线为基准,一般转子的转角定义为余弦输出绕组Z3Z4的轴线与励磁绕组轴线之间的夹角,记为θ角。

1、空载运行情况

在图中,先分析空载时的输出电压,即转子输出绕组和定子交轴绕组D3-D4开路,仅将励磁绕组D1-D2加上交流电压Uf。

此时气隙中将产生一个脉振磁场,磁场强度在气隙中按余弦分布,磁场将在二次测即转子两个输出绕组感应出变压器电动势。

输出绕组的感应电动势在时间上时同相位的,其有效值和该绕组的位置有关。

当θ=0时,如同一台普通的双绕组变压器,可得定子转子的感应电动势为

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Nf、Nr为等效集中绕组的匝数

若转子绕组轴线偏离励磁绕组轴线位置,夹角为θ时,绕组所受匝链磁通的幅值为

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可得转子绕组的电动势为

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由此可得,旋转变压器和普通变压器的不同之处在于,普通变压器总有一次侧和二次侧线圈的互感为最大且保持不变,旋转变压器正是利用转子相对定子的转角的不同以改变一次侧二次侧线圈之间的互感来达到输出电势和转角成正余弦函数关系。

从而得到输出电动势

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两极和多极旋转变压器的不同之处是,两极时输出电压有效值大小随差角作正弦变化的周期是360°,多极时周期为360°/P。

亦即差角变化360°时,多极的旋转变压器的输出电压就变化了P个周期

2.负载运行时的情况

在实际使用中,旋转变压器要接上一定的负载。

实验表明,一旦输出绕组接上负载之后,其输出电压不再是转角的正余弦函数。

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3.3 正余弦变压器补偿方法

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二次侧补偿

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一次侧补偿

4.旋转变压器的使用

4.1 工作方式

在实际使用中,考虑到使用的方便性和检测精度等因素,常采用四极绕组式旋转变压器。

这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。

1.鉴相工作方式

在正余弦绕组上施加幅值、频率相同, 但相位差为90°的电压Ea、Eb:

Ea=E0cosωt

Eb=E0sinωt

则定尺(或转子)绕组的感应电势为

E =KEbcosθ-Keasinθ

=KE0(sinωtcosθ-cosωtsinθ)

=KE0sin(ωt-θ)

2.鉴幅工作方式

在定子的两绕组上施加频率、相位均相同, 但幅值按某角度作正、 余弦变化的电压Ea、Eb:

Ea=E0cosθ1sinωt

Eb=E0sinθ1sinωt

转子的感应电压为

E =KEbcosθ-KEasinθ

=KE0(sinθ1cosθ-cosθ1sinθ)sinωt

=KE0sin(θ1-θ)sinωt

4.2 旋转变压器的误差

旋转变压器的误差有函数误差、零位误差、线性误差、电气误差、输出相位移等几个方面,误差的原因有绕组谐波、齿槽效应、磁路饱和、材料、制造工艺、交轴磁场等。

改进措施为严格控制加工工艺,采取补偿方法等。

4.3 旋转变压器的使用原则

(1) 旋转变压器应尽可能在接近空载的状态下工作。

因此,负载阻抗应远大于旋转变压器的输出阻抗。

两者的比值越大,输出电压的畸变就越小。

(2)使用时首先要准确地调准零位,否则会增加误差,降低精度。

(3)励磁一方两相绕组同时励磁时,即只能采用二次侧补偿方式时,两相输出绕组的负载阻抗应尽可能相等。

旋转变压器的应用,近期发展很快。

除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外,在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。

特别应该提出的是,这些年来,随着工业自动化水平的提高,随着节能减排的要求越来越高,效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用,越来越广泛。

而永磁交流电动机的位置传感器,原来是以光学编码器居多,但这些年来,却迅速地被旋转变压器代替。

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