旋转变压器及无刷旋转变压器的制作方法

本实用新型涉及电磁式传感器技术领域，特别涉及一种旋转变压器及无刷旋转变压器。

背景技术：

无刷旋转变压器，或称为同步分解器以无可比拟的可靠性、非常好的抗恶劣环境条件的能力、高速运行能力等优势，使得其应用领域越来越广泛，尤其应用于军用、航空航天等领域。

无刷旋转变压器主要用于测量电机的转轴角位移和角速度，为了保证测量精度，必须消除无刷旋变电压器中的齿谐波，或将齿谐波降低到合适范围，而现有技术中，无刷旋转变压器的定子和转子铁芯一般均采用斜槽结构。

但是，斜槽结构的定子铁芯和转子铁芯叠加模具复杂，其绕组自动下线工艺难度大，生产效率低，不利于无刷旋转变压器广泛应用的发展。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的是提出一种旋转变压器及无刷旋转变压器，旨在解决高精度旋转变压器自动下线困难的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种旋转变压器，所述旋转变压器包括：

转子，所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯为直槽式铁芯，且槽型为圆形槽；

定子，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯为直槽式铁芯，且槽型为平行齿的梯形槽；

所述转子铁芯的转子槽数Z_r及所述定子铁芯的定子槽数Z_s满足Z_s≠Z_r，

Z_s≠2Z_r。

优选地，所述转子槽数Z_r为16个，所述定子槽数为Z_s为12个。

优选地，所述转子还包括转子绕组，所述转子绕组以短距正弦分布规律嵌置于所述转子铁芯的直槽中，所述转子绕组的绕组节距y_r为6。

优选地，所述转子绕组包括正弦相绕组及余弦相绕组，所述转子绕组的正弦相绕组各槽线圈匝数N_rci根据第一预设公式设置；所述转子绕组的余弦相绕组各槽线圈匝数N_rci根据第二预设公式设置。

优选地，所述转子绕组的正弦相线圈在各槽内为上下对称的两层，所述正弦相绕组的上层线圈匝数根据第三预设公式设置；

所述转子绕组的余弦相线圈在各槽内为上下对称的两层，所述余弦相绕组的上层线圈匝数根据第四预设公式设置。

优选地，所述定子还包括定子绕组，所述定子绕组以齿极分数槽正弦分布规律嵌置于所述定子铁芯的直槽中，所述定子绕组的绕组节距y_s为1。

优选地，所述定子绕组包括正弦相绕组及余弦相绕组，所述定子绕组的正弦相绕组各槽线圈匝数N_rci根据第五预设公式设置；所述定子绕组的余弦相绕组各槽线圈匝数N_sci根据第六预设公式设置。

优选地，所述定子绕组的正弦相线圈在各齿上的线圈匝数根据第七预设公式进行调试设置；所述定子绕组的余弦相线圈在各齿上的线圈匝数根据第八预设公式设置。

本实用新型还提出一种无刷旋转变压器，所述无刷旋转变压器包括环形变压器及如上所述的旋转变压器，所述环形变压器的定子绕组用于接入交流电，所述环形变压器的转子绕组与所述旋转变压器的一转子绕组电气连接，所述旋转变压器的另一相转子绕组的首端和末端相互短接；所述旋转变压器包括：转子，所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯为直槽式铁芯，且槽型为圆形槽；定子，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯为直槽式铁芯，且槽型为平行齿的梯形槽；所述转子铁芯的转子槽数Z_r及所述定子铁芯的定子槽数Z_s满足Z_s≠Z_r，Z_s≠2Z_r。

本实用新型旋转变压器的定子铁芯和转子铁芯均采用直槽式的铁芯，且转子槽数Z_r、定子槽数Z_s满足Z_s≠Z_r，Z_s≠2Z_r的槽配合，使得定子绕组和转子绕组在均采用正弦相绕组的情况下，原边绕组产生的齿谐波，副边绕组不吸收；而副边绕组能够吸收的齿谐波，原边绕组不产生，从而将齿谐波削弱或消除到相当小的程度。本实用新型旋转变压器的定子铁芯和转子铁芯均采用直槽式的铁芯，从而实现定子绕组和转子绕组自动下线，提高旋转变压器的生产率，此外，由于本实用新型旋转变压器能够实现自动下线，无需人工手动下线，从而降低了旋转变压器的生产成本，解放了人工生产力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本旋转变压器中转子铁芯的结构示意图；

图2为本旋转变压器中定子铁芯的结构示意图；

图3为本实用新型旋转变压器中转子绕组的结构示意图；

图4为本实用新型主旋转变压器中定子绕组的结构示意图；

图5为本实用新型无刷旋转变压器一实施例的电路结构示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出的一种旋转变压器。

参照图1至图4，在本实用新型一实施例中，所述旋转变压器包括转子(图未标示)及定子(图未标示)。

一般地，旋转变压器的转子同心设置于圆环状定子的内侧，旋转变压器主要用于用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号，以及在解算装置中可作为函数的解算之用。由于旋转变压器主要应用于旋转物体的高度精度测量，因此必须消除无刷旋变电压器中的齿谐波，或将齿谐波降低到合适范围以保证精度，而现有技术中，无刷旋转变压器的定子铁芯21和转子铁芯11一般均采用斜槽结构来实现。但是，斜槽结构的定子铁芯21和转子铁芯11叠加模具复杂，其绕组自动下线工艺难度大。为了方便转子绕组12和定子绕组22的自动下线，本实施例中，该转子包括转子铁芯11，所述转子铁芯11为直槽式铁芯，且槽型为圆形槽；该定子包括定子铁芯21，所述定子铁芯21为直槽式铁芯，且槽型为平行齿的梯形槽。转子自动下线容易，采用喷涂工艺进行槽绝缘，槽形较小，本实施例中，转子槽为圆形槽。定子自动下线相对比较困难，槽内嵌入线圈骨架(图未示出)后绕线，槽形较大，设计为平行齿的梯形槽，便于自动下线线圈骨架的塑压成型。

为了使定子绕组22和转子绕组12设置成两相、两对极的对称绕组，定子铁芯21和转子铁芯11的槽数设置为4的倍数，同时为了避免定子绕组22和转子绕组12的原边和副边的齿谐波耦合，定子槽数Zs、转子槽数Zr满足Zs≠Zr，Zs≠2Zr。

旋转变压器输出电势幅值E包括基波E₁和高次谐波电势Eν，且满足：

公式(3)中，K为与铁心材料、尺寸有关的常数；I_o为空载电流；W_s、W_r分别为定子绕组22、转子绕组12的实际匝数；K_ws、K_wr分别为定子绕组22、转子绕组12的基波绕组系数ν为谐波次数；K_wsν、K_wrν分别为定子绕组22、转子绕组12的ν次谐波绕组系数。代入可得，最低次齿谐波分别为Z_s±1，Z_r±1，此时各次谐波(除齿谐波外)削弱和消除到相当小的程度。

对于Z_s±1次齿谐波：

对于Z_r±1次齿谐波：

本实用新型旋转变压器的定子铁芯21和转子铁芯11均采用直槽式的铁芯，且定子槽数Zs、转子槽数Zr满足Zs≠Zr，Zs≠2Zr的槽配合，使得定子绕组22和转子绕组12在均采用正弦相绕组R2R4的情况下，原边绕组产生的齿谐波，副边绕组不吸收；而副边绕组能够吸收的齿谐波，原边绕组不产生，从而将齿谐波削弱或消除到相当小的程度。本实用新型旋转变压器的定子铁芯11和转子铁芯11均采用直槽式的铁芯，从而实现定子绕组22和转子绕组12自动下线，提高旋转变压器的生产率，此外，由于本实用新型旋转变压器能够实现自动下线，无需人工手动下线，从而降低了旋转变压器的生产成本，解放了人工生产力。

需要说明的是，由于旋转变压器中，定子铁芯21、转子铁芯22中设置有槽和齿，定子绕组22和转子绕组12的导体不可能沿气隙表面连续分布。因此在磁势曲线中，除基波外还存在有高次谐波。

参照图1至图4，进一步地，所述转子槽数Z_r为16个，所述定子槽数为Z_s为12个。

本实施例中，定子/转子采用12/16槽配合，此时最低次齿谐波为11次、13次、15次、17次，定、转子均采用直槽，有效匝数最少时，误差最大，分别为Δθ11＝0.76′，Δθ13＝0.24′，Δθ15＝0′，Δθ17＝0.85′，故定子绕组22、转子绕组12均配合采用正弦分布绕组时，齿谐波电势基本为零，本实施例通过转子铁芯11和定子铁芯21合理的槽配合，同时定子绕组22和转子绕组12均采用正弦分布绕组，解决了现有技术中不能借助于绕组的分布而予以消除或削弱高次谐波的问题。

在另一实施例中，定子/转子采用还可采用8/12槽配合，此时最低次齿谐波为7次、9次、11次、13次，定、转子均采用直槽，有效匝数最少时，误差最大，分别为Δθ7＝2.5′，Δθ9＝0′，Δθ11＝0.7′，Δθ13＝0.5′，此时同理定、转子绕组12均采用正弦分布绕组时，齿谐波电势基本为零。

可以理解的是，上述实施例中，仅列举说明了两组定子/转子极端槽配合，此时能够满足齿谐波电势基本为零，同时在其他实施例中，定子槽数Zs和转子槽数Z_r满足Z_s≠Z_r，Z_s≠2Z_r的槽配合，同样是可以实现的，在此不做限制。

参照图1至图4，在一优选实施例中，所述转子还包括转子绕组12，所述转子绕组12以短距正弦分布规律嵌置于所述转子铁芯11的直槽中，所述转子绕组12的绕组节距y_r为6。

本实施例中，将转子绕组12以如附图3所示的短距正弦分布规律嵌置于所述转子铁芯11的直槽中，所述转子绕组12的绕组节距y_r为6，转子绕组12的两相绕组各齿匝数均按正弦规律调制，从而保证绕组的正弦性，不影响产品的电气精度，同时实现定子自动下线。当然在其他实施例中，转子绕组12节距y_r还可以为其他数值，在此不做限制。

进一步地，所述转子绕组12包括正弦相绕组R2R4及余弦相绕组R1R3，所述转子绕组12的正弦相绕组R2R4各槽线圈匝数N_rsi根据第一预设公式分布设置；所述转子绕组12的余弦相绕组R1R3各槽线圈匝数N_rci根据第二预设公式分布设置。第一预设公式和第二预设公式中，i为槽的序号(#)，N_rm为转子绕组在槽中的最大匝数。

进一步地，所述转子绕组12的正弦相绕组R2R4和余弦相绕组R1R3在各槽的导体数分为上下的两层；其中，

正弦相各槽上层元件线圈匝数根据第三预设公式设置；余弦相各槽上层元件线圈匝数根据第四预设公式设置最终实现分层一次成功的端部导体正弦分布。第三预设公式和第四预设公式中，i为槽的序号(#)，W_rm为转子绕组在齿上(端部)的最大匝数。

可以理解的是，正弦相各槽下层元件线圈匝数可以根据第一公式与第三预设公式之差设置；以及余弦相各槽下层元件线圈匝数可以根据第二公式与第四预设公式之差设置。

如附图3所示，附图3为转子的正弦相绕组R2R4线圈及余弦相绕组R1R3线圈在各槽内，以及每一线圈匝数的具体的展开图，各槽内的线圈匝数与各槽内的线圈匝数均根据第一预设公式至第四预设公式进行分布设置。为了更好的说明本实施例，正弦相绕组R2R4对应在各槽中的有效线圈匝数、以及每一线圈匝数，具体分别以8^#槽为例进行说明，具体地，8^#槽中对应匝数为-17匝,对应8^#槽中的上层边匝数为-6匝，下层边匝数为-11匝。余弦相绕组R1R3对应各齿号上的线圈匝数、各槽号对应的有效线圈匝数具体分别以8^#槽为例进行说明，8^#槽中对应匝数为-11匝,对应8^#槽中的上层边匝数为-9匝，下层边匝数为-2匝。本实施例中，在转子绕组12以短距正弦分布规律嵌置于所述转子铁芯11的直槽中时，先从转子槽的1^#槽开始绕制余弦相R1R3线圈，其中，1^#～8^#槽正绕，9^#～16^#槽反绕。然后再从转子槽的5^#槽开始绕制正弦相R2R4线圈，其中，5^#～12^#槽正绕，13^#～4^#槽反绕。因转子在实际应用时有一相绕组自行短接作为补偿绕组的，两相绕组参数无需完全对称，故在自动下线时，可以不进行换相绕制，如附图3所示，图中虚线表示绕组的下层边(先绕的线圈)，实线表示绕组的上层边(后绕的线圈)。

参照图1至图4，在一优选实施例中，所述定子还包括定子绕组22，所述定子绕组22以齿极分数槽正弦分布规律嵌置于所述定子铁芯11的直槽中，所述定子绕组22的绕组节距y_s为1。

本实施例中，将定子绕组22以如附图4所示的齿极分数槽正弦分布规律嵌置于所述转子铁芯11的直槽中，所述定子绕组22的绕组节距y_s为1，转子绕组12的正余弦两相绕组各齿匝数均按正弦规律绕制，从而保证了正余弦两相绕组的正弦性，保证了无刷旋转变压器的电气精度，同时实现定子全自动下线。当然在其他实施例中，定子绕组22节距y_s还可以为其他数值，在此不做限制。

进一步地，所述定子绕组22包括正弦相绕组S2S4及余弦相绕组S1S3，所述转子绕组12的正弦相绕组S2S4各槽线圈匝数N_ssi根据第五预设公式设置；所述定子绕组的余弦相绕组S1S3各槽线圈匝数N_sci根据第六预设公式设置。第五预设公式和第六预设公式中，i为槽的序号(#)，N_sm为定子绕组在槽中的线圈匝数。

进一步地，所述定子绕组22线圈匝数在各齿上按照端部线圈匝数正弦法进行分配；其中，

正弦相绕组S2S4线圈匝数各齿线圈匝数根据第七预设公式进行调试设置；余弦相绕组S1S3各齿线圈匝数W_sci根据第八预设公式设置。第七预设公式和第八预设公式中，i为槽的序号(#)，W_sm为定子绕组在齿上的线圈匝数。

如附图4所示，附图4为定子的正弦相绕组R2R4线圈及余弦相绕组线圈在各槽内以及各齿上的具体的展开图，各齿上的线圈匝数与各槽内的线圈匝数均根据第五预设公式至第八预设公式进行分布设置。为了更好的说明本实施例，正弦相绕组S2S4对应各齿号上的线圈匝数、各槽中有效线圈匝数，具体分别以8^#齿与8^#槽为例进行说明，具体8^#齿上对应为68匝、8^#槽中对应有效线圈匝数为-25匝。余弦相绕组S1S3对应各齿号上的线圈匝数、各槽号中对应的有效线圈匝数具体分别以9^#齿与9^#槽为例进行说明，9^#齿上对应的线圈匝数为-25匝，9^#槽中对应的有效线圈匝数为93匝。

本实施例中，在定子绕组22以齿极分数槽正弦分布规律嵌置于所述定子铁芯21的直槽中时，先从定子槽的1^#齿开始绕制定子绕组22的余弦相绕组S1S3相1^#～6^#齿正线圈，然后再从定子槽的1^#齿，并开始转绕正弦相绕组S2S4相全部线圈，最后转绕余弦相S1S3相7^#～12^#齿反线圈，本实施例通过对定子绕组22的余弦相绕组S1S3和正弦相绕组S2S4换相先后绕制对应的绕组，换相接头如附图四标示出，从而保证了正余弦两相绕组在空间的电磁对称性，从而使得正余弦两相参数对称，进而保证了无刷旋转变压器的电气精度。

本实用新型还提出一种无刷旋转变压器。

参照图5，所述无刷旋转变压器包括环形变压器100及如上所述的旋转变压器200，所述环形变压器的定子绕组HR1HR3用于接入交流电，所述环形变压器的转子绕组(图未标示)与所述旋转变压器的一转子绕组电气连接，所述旋转变压器的另一相转子绕组的首端和末端互相短接。

本实施例中，采用电磁式的“环形变压器”代替普通的电刷和滑环，实现无接触励磁的功能。环形变压器的转子绕组(图未标示)与旋转变压器的一转子绕组直接相连。当环形变压器的定子绕组HR1HR3通入交流电时，在环形变压器的转子绕组中就产生感应电势，其大小与转子转角无关，此电势施加在旋转变压器的一相转子绕组上，作为旋转变压器的励磁电压。旋转变压器转子另一相转子绕组自行短接，从而实现精度补偿作用，旋转变压器定子的正弦相绕组S2S4和余弦相绕组S1S3两相输出绕组感应出随转子转角成正余弦规律分布的电压信号，从而实现旋转物体的转轴角位移和角速度测量。具体地输出电压参照方程式见公式(1)和(2)可知。

U_S1S3＝KU_R1R3cosα……………………………………(1)

U_S2S4＝KU_R1R3sinα……………………………………(2)

公式(1)和(2)中，U_S2S4为旋转变压器中定子的正弦相绕组S2S4两端的电压；U_S1S3为旋转变压器200中定子的余弦相绕组S1S3两端的电压；

U_R1R3为环形变变压器100定子绕组HR1HR3的电压；K为变压比；α为旋转变压器转子从一电机的基准电气零位正向转动的机械角。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。