压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法
【专利摘要】压缩式粗精耦合轴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】，以解决现有的多级轴向磁阻式旋转变压器精度低，并且随极对数的增加体积也随之增大问题。定子内环面加工有环形槽，环形槽将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿和2NP个下定子齿，由2NP个上定子齿和2NP个下定子齿构成2NP对定子齿；励磁绕组放置于定子的环形槽内，粗机正、余弦信号绕组以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿上的同一层；精机正、余弦信号绕组以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿上的同一层，粗机正、余弦信号绕组与精机正、余弦信号绕组分两层设置。本发明的旋转变压器体积小，用于旋转编码器无法正常工作的场合，更有利于在狭窄环境下应用。
【专利说明】压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种粗精耦合轴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】
[0002]磁阻式旋转变压器是近年来快速发展的一种旋转变压器。其无刷、无耦合变压器式结构，与绕线式转子旋变相比使用可靠，寿命长，广泛应用在高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，如机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷等领域。但是，现有的多级轴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】
[0003]本发明的目的在于提供一种压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器及信号绕组绕线方法，以解决现有的多级轴向磁阻式旋转变压器精度低，并且随极对数的增加体积也随之增大的问题。
[0004]实现上述目的，采取的技术方案如下:
[0005]本发明的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器，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、精机余弦信号绕组，转子和定子均为圆筒形状，定子与转子之间具有相等的气隙，定子内环面沿轴向加工有2NP个定子长槽和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽沿定子内环面均布设置，相邻两个定子长槽之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽和2NP个定子长齿位于定子内环面的同一圆周上；定子内环面的中部沿圆周方向上加工有一环形槽，且环形槽开设在定子长槽和定子长齿的中部，环形槽将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿和2NP个下定子齿，由2NP个上定子齿和2NP个下定子齿构成2NP对定子齿；其中，N为自然数，N的取值范围为2?15，P为转子极对数；励磁绕组放置于定子的环形槽内，励磁绕组与定子同心设置；粗机正弦信号绕组与粗机余弦信号绕组以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿上且位于同一层；精机正弦信号绕组与精机余弦信号绕组以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿上且位于同一层；粗机正弦信号绕组和粗机余弦信号绕组与精机正弦信号绕组和精机余弦信号绕组分两层设置。
[0006]本发明的压缩式粗精耦合轴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:
[0007]步骤一:对于精机正弦信号绕组而言，任意选取一个过定子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对定子齿按照正弦相与余弦相交替地分成两套NP对定子齿，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿均分为P部分；从平面一初始位置开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿分为两组；当N为偶数时，在第一组I对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组f对定子齿上沿顺时针方向绕线
Af 4-]N — ]
为奇数时，在第一组对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组对定子齿上沿顺
2 2
时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；
[0008]步骤二:对于精机余弦信号绕组而言，任意选取一个过定子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对定子齿按照正弦相与余弦相交替地分成两套NP对定子齿，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿均分为P部分；从平面二初始位置开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿分为两组；当N为偶数时，在第一组#对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组#对定子齿上沿顺时针方向绕线 2 2
iV + lN - \
为奇数时，在第一组+对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组Y对定子齿上沿顺时针方向绕线，其他的P-1部分定子齿的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；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；
[0009]步骤三:对于粗机正弦信号绕组而言，以所述的平面一为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿按照正弦相与余弦相交替地分成两套NP对定子齿，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿均分为P部分；从平面一开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿分为两组；当N为偶数时，在第一组NP对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组NP对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；
[0010]步骤四:对于粗机余弦信号绕组而言，任意选取一个过定子轴线且不与定子齿相交的平面三，并以该平面三为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿按照正弦相与余弦相交替地分成两套NP对定子齿，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿均分为P部分；从平面三开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿分为两组；当N为偶数时，在第一组NP对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿上沿顺时针方向绕线；iN为奇数时，在第一组NP对定子齿上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；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，其他的P-1部分定子齿的绕线方式与上述的N为偶数时以及N为奇数时的绕线方式相同。
[0011]本发明具有以下有益效果:
[0012]1、本发明的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器具有消谐波式信号绕组(即正弦式信号绕组本身就是消谐波结构)，其粗精耦合结构可以对采样信号进行准确地定位，适用于伺服系统的速度以及位置传感器。
[0013]2、粗机正、余弦信号绕组与精机正、余弦信号绕组分两层设置于定子齿上，粗机正、余弦信号绕组交替的分布于同一层，精机正、余弦信号绕组交替的分布于另一层。这种交替分布的信号绕组可以有效地缩减体积，不仅节省了材料，更有利于狭窄环境的应用。
[0014]3、本发明的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器克服了现有的轴向磁阻式旋转变压器精度相对较低的缺点，它作为一种双通道旋转变压器，是目前精度最高并可以提供绝对位置信息的旋转变压器。本发明的粗机励磁及精机励磁采用同一套绕组，粗机信号绕组与精机信号绕组共用同一磁路，可以充分利用铁心，大幅度减小体积。
[0015]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。
[0016]综上，本发明可广泛应用在高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，如机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器结构示意图；
[0018]图2为转子的结构示意图；
[0019]图3为转子的平面展开示意图；
[0020]图4为本发明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M指代的是粗机正弦相，G指代的是粗机余弦相，E指代的精机正弦相，F指代的为精机余弦相，图中黑色区域为所对应信号绕组的匝数值，所对应信号绕组的匝数值在空白区域为零；
[0021]图5为本发明的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器轴向剖面图；
[0022]图6为励磁绕组的结构示意图。
[0023]图中所示出的部件名称及标号如下:
[0024]转子1、导磁区域1-1、非导磁区域1-2、定子2、上定子齿2_1、环形槽2_2、下定子齿2-3、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、平面二 8、平面三9、平面一 10、定子齿11、定子长槽12、励磁绕组13。
【具体实施方式】
[0025]【具体实施方式】一:如图1?图6所示，压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器，包括定子2、转子1、励磁绕组13、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，转子I和定子2均为圆筒形状，定子2与转子I之间具有相等的气隙3，定子2内环面沿轴向加工有2NP个定子长槽12和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽12沿定子2内环面均布设置，相邻两个定子长槽12之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽12和2NP个定子长齿位于定子2内环面的同一圆周上；定子2内环面的中部沿圆周方向上加工有一环形槽2-2，且环形槽2-2开设在定子长槽12和定子长齿的中部，环形槽2-2将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿2-1和2NP个下定子齿2_3，由2NP个上定子齿2_1和2NP个下定子齿2-3构成2NP对定子齿11 ;其中，N为自然数，N的取值范围为2?15，P为转子I极对数；励磁绕组13放置于定子2的环形槽2-2内，励磁绕组13与定子2同心设置(为集中绕组)；粗机正弦信号绕组4与粗机余弦信号绕组5以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿11上且位于同一层；精机正弦信号绕组6与精机余弦信号绕组7以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿11上且位于同一层；粗机正弦信号绕组4和粗机余弦信号绕组5与精机正弦信号绕组6和精机余弦信号绕组7分两层设置。
[0026]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和精机余弦信号绕组7均为集中绕组，且按照正弦规律变化。
[0027]所述的转子I圆周侧壁的中部呈波纹状区域为导磁区域1-1，转子I上除导磁区域1-1以外的余下区域为非导磁区域1-2。圆筒状定子2起到支撑波纹状导磁材料1-1的作用。
[0028]波纹状导磁材料1-1有P对波峰和P对波谷，由两种不同频率的正弦波形合成而成。
[0029]所述的波纹状导磁区域1-1的厚度等于定子2的上定子齿2-1的轴向长度。
[0030]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的总匝数相等，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。
[0031]【具体实施方式】二:如图1所示，【具体实施方式】一所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的粗机正弦信号绕组、粗机余弦信号绕组与精机正弦信号绕组及精机余弦信号绕组均为集中绕组，且按照正弦规律变化。所述的方法包括下述步骤:
[0032]步骤一:对于精机正弦信号绕组6而言，任意选取一个过定子2轴线且不与定子齿11相交的平面一 10，并以该平面一 10为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿11按照正弦相E与余弦相F交替地分成两套NP对定子齿11，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿11均分为P部分；从平面一 10初始位置开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿11分为两组；当N为偶数时，在第一组*对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组*
Ar-Hl
对定子齿11上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组￥对定子齿11上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿11的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；
[0033]步骤二:对于精机余弦信号绕组7而言，任意选取一个过定子2轴线且不与定子齿11相交的平面二 8，并以该平面二 8为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿11按照正弦相E与余弦相F交替地分成两套NP对定子齿11，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿11均分为P部分；从平面二 8初始位置开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿11
分为两组；当N为偶数时，在第一组f对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组*对定子齿11上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组#对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组￥对定子齿11上沿顺时针方向绕线，其他的P-1部分定子齿11的绕线
2
方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；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；
[0034]步骤三:对于粗机正弦信号绕组4而言，以所述的平面一 10为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿11按照正弦相M与余弦相G交替地分成两套NP对定子齿11，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿11均分为P部分；从平面一 10开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿11分为两组；当N为偶数时，在第一组NP对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿11上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组NP对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿11上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿11的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；
[0035]步骤四:对于粗机余弦信号绕组5而言，任意选取一个过定子2轴线且不与定子齿11相交的平面三9，并以该平面三9为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿11按照正弦相M与余弦相G交替地分成两套NP对定子齿11，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿11均分为P部分；从平面三9开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿11分为两组；当N为偶数时，在第一组NP对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿11上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组NP对定子齿11上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿11上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿11的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；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，其他的P-1部分定子齿11的绕线方式与上述的N为偶数时以及N为奇数时的绕线方式相同。
[0036]【具体实施方式】三:如图1所示，【具体实施方式】二所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，所述的方法中，
[0037]粗机正弦信号绕组⑷的匝数表示为
【权利要求】
1.一种压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器，包括定子(2)、转子(I)、励磁绕组(13)、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)，转子(I)和定子(2)均为圆筒形状，其特征是:定子(2)与转子(I)之间具有相等的气隙(3)，定子(2)内环面沿轴向加工有2NP个定子长槽(12)和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽(12)沿定子(2)内环面均布设置，相邻两个定子长槽(12)之间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽(12)和2NP个定子长齿位于定子(2)内环面的同一圆周上；定子(2)内环面的中部沿圆周方向上加工有一环形槽(2-2)，且环形槽(2-2)开设在定子长槽(12)和定子长齿的中部，环形槽(2-2)将2NP个定子长齿分割成2NP个上定子齿(2_1)和2NP个下定子齿(2-3)，由2NP个上定子齿(2-1)和2NP个下定子齿(2_3)构成2NP对定子齿(11)；其中，N为自然数，N的取值范围为2?15，P为转子(I)极对数；励磁绕组(13)放置于定子(2)的环形槽(2-2)内，励磁绕组(13)与定子(2)同心设置；粗机正弦信号绕组(4)与粗机余弦信号绕组(5)以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿(11)上且位于同一层；精机正弦信号绕组(6)与精机余弦信号绕组(7)以单层绕线方式交替地缠绕于定子齿(11)上且位于同一层；粗机正弦信号绕组(4)和粗机余弦信号绕组(5)与精机正弦信号绕组(6)和精机余弦信号绕组(7)分两层设置。
2.根据权利要求1所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器，其特征是:所述的转子(I)圆周侧壁的中部呈波纹状区域为导磁区域(1-1)，转子(I)上除导磁区域(1-1)以外的余下区域为非导磁区域(1-2)。
3.根据权利要求2所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器，其特征是:所述的波纹状导磁区域(1-1)的厚度等于定子(2)的上定子齿(2-1)的轴向长度。
4.根据权利要求1或2或3所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器，其特征是: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)的总匝数相等，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。
5.一种权利要求4所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，其特征是:所述的方法包括下述步骤: 步骤一:对于精机正弦信号绕组(6)而言，任意选取一个过定子(2)轴线且不与定子齿(11)相交的平面一(10)，并以该平面一(10)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(11)按照正弦相(E)与余弦相(F)交替地分成两套NP对定子齿(11)，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿(11)均分为P部分；从平面一(10)初始位置开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿(11)分为两组；当N为偶数时，在第一组#对定子齿(11)上沿逆
2时针方向绕线，在第二组*对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组/V +1/V-1 对定子齿(11)上沿逆时针方向绕线，在第二组一「对定子齿(11)上沿顺时针方向λZ绕线；其他的P-1部分定子齿(11)的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同； 步骤二:对于精机余弦信号绕组(7)而言，任意选取一个过定子(2)轴线且不与定子齿(11)相交的平面二(8)，并以该平面二⑶为基准，沿顺时针方向将2ΝΡ对定子齿(11)按照正弦相(E)与余弦相(F)交替地分成两套NP对定子齿(11)，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿(11)均分为P部分；从平面二(8)初始位置开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿(11)分为两组；当N为偶数时，在第一组#对定子齿(11)上沿逆时针
2方向绕线，在第二组f对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线；iN为奇数时，在第一组对定子齿(Ii)上沿逆时针方向绕线，在第二组^1对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线，
2其他的P-1部分定子齿(11)的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；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； 步骤三:对于粗机正弦信号绕组(4)而言，以所述的平面一(10)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(11)按照正弦相(M)与余弦相(G)交替地分成两套NP对定子齿(11)，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿(11)均分为P部分；从平面一(10)开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿(11)分为两组；当N为偶数时，在第一组NP对定子齿(11)上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组NP对定子齿(11)上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿(11)的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同； 步骤四:对于粗机余弦信号绕组(5)而言，任意选取一个过定子(2)轴线且不与定子齿(11)相交的平面三(9)，并以该平面三(9)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(11)按照正弦相(M)与余弦相(G)交替地分成两套NP对定子齿(11)，再根据绕线方式将每相信号绕组的NP对定子齿(11)均分为P部分；从平面三(9)开始沿顺时针方向将第一部分的N对定子齿(11)分为两组；当N为偶数时，在第一组NP对定子齿(11)上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线；当N为奇数时，在第一组NP对定子齿(11)上沿逆时针方向绕线，在第二组NP对定子齿(11)上沿顺时针方向绕线；其他的P-1部分定子齿(11)的绕线方式与上述的N为偶数时和N为奇数时相同；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，其他的P-1部分定子齿(11)的绕线方式与上述的N为偶数时以及N为奇数时的绕线方式相同。
6.根据权利要求5所述的压缩式粗精耦合轴向磁路旋转变压器信号绕组绕线方法，其特征是:所述的方法中， 粗机正弦信号绕组(4)的匝数表示为
粗机余弦信号绕组(5)的匝数表示为
精机正弦信号绕组(6)的匝数表示为.(Α3πλ
精机余弦信号绕组(7)的匝数表示为.
式中，Zp Z2、Z3、Z4分别为一对定子齿(11)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，21、22、23、24的值要求取整；Z1^ Z2, Z3> Z4为负值时表示反向绕线；&、K2, K3> K4分别为预取粗机正弦信号绕组⑷、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A1为距平面一 (10)的粗机正弦信号绕组⑷的正弦相定子齿对数,A2为距平面三(9)的粗机余弦信号绕组(5)的余弦相定子齿对数,A3为距平面一(10)的精机正弦信号绕组(6)的正弦相定子齿对数，A4为距平面二(8)的精机余弦信号绕组(7)的余弦相定子齿对数，A1与A2的取值范围均为O~2NP，A3与A4的取值范围均为O~2N。
【文档编号】H02K3/12GK104200970SQ201410474862
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】尚静, 王昊, 邹继斌, 丛宁, 徐永向, 江善林, 刘雪缘 申请人:哈尔滨工业大学