消谐波式轴向磁路多极旋转变压器及信号绕组绕线方法
【专利摘要】消谐波式轴向磁路多极旋转变压器及信号绕组绕线方法，属于变压器【技术领域】，针对现有多级轴向磁阻式旋转变压器精度低，随极对数增加体积增大问题。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；励磁绕组放置于环形槽内，正、余弦信号绕组分层缠绕于定子齿上。对于正弦信号绕组，从平面开始沿顺时针方向将第一组相邻的N对定子齿沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿沿顺时针方向绕线，其他的2(P-1)组定子齿绕线方式与第一、二组相同；正、余弦信号绕组相位上相差90°电角度。本发明用于旋转编码器无法正常工作的场合。
【专利说明】消谐波式轴向磁路多极旋转变压器及信号绕组绕线方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种消谐波式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，与绕线式转子旋转变压器相比使用可靠，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。目前在航天与航空领域的应用正处于关键与重点研究阶段。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消谐波式轴向磁路多极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]本发明的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，包括定子、转子、励磁绕组、正弦信号绕组以及余弦信号绕组；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，相邻两个定子长槽中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个定子长齿均分割成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I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；正弦信号绕组与余弦信号绕组分设两层缠绕于2NP对定子齿上。
[0006]本发明的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，所述的方法是:
[0007]对于正弦信号绕组而言，任意选取一个过定子的轴线且不与定子齿相交的平面，并以该平面为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿均分为2P组；从平面开始沿顺时针方向将第一组相邻的N对定子齿沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿沿顺时针方向绕线，其他的2(P_1)组定子齿的绕线方式与第一组、第二组定子齿相同；所述的余弦信号绕组绕线方式与正弦信号绕组绕线方式相同，相位上相差90°电角度。
[0008]本发明具有以下有益效果:
[0009]1、本发明的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器适用于伺服系统的速度以及位置传感器。本发明的转子结构与普通径向磁路式旋转变压器有很大不同，它是由导磁材料制成的正弦形转子和非导磁材料制成的支撑套筒组成的。定子上设置正弦信号绕组以及余弦信号绕组，且正、余弦信号绕组分两层缠绕于定子齿上，励磁绕组分布于环形槽中。当励磁绕组通以恒压频率的交流电时，两相信号绕组分别输出电动势幅值随转子转角作正弦和余弦变化的电压。转子上不设置绕组。消谐波式轴向磁路多极旋转变压器的结构简单、紧凑，体积小，是一种基于磁阻变化原理的高精度角度传感元件。
[0010]2、本发明的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器在精度上与体积上都有了极大地改善，它作为可靠性及高抗干扰性的高精度传感器，对于角度与位置的测量精度要求比较高，因此需要削弱干扰以及误差的影响，它的信号绕组采用特殊的排线方式，有效地解决了已有的磁阻式旋转变压器误差过大的问题。
[0011]3、正弦信号绕组与余弦信号绕组分两层设置于定子齿上，两套信号绕组的匝数按照正弦规律分布，这种特殊结构能够实现高精度测量。
[0012]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。
[0013]综上，本发明的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器及信号绕组绕线方法可广泛应用在高温、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】
[0014]图1为消谐波式轴向磁路多极旋转变压器的结构示意图；
[0015]图2为转子的结构示意图；
[0016]图3为消谐波式轴向磁路多极旋转变压器的轴向剖面图；
[0017]图4为消谐波式轴向磁路多极旋转变压器的正、余弦信号绕组的匝数分布图，图中E指代的为正弦相，F指代的为余弦相，黑色区域表示为所对应信号绕组的匝数值；
[0018]图5为励磁绕组的结构示意图。
[0019]图中所示出的部件名称及标号如下:
[0020]转子1、正弦形转子1-1、支撑套筒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、正弦信号绕组4、余弦信号绕组5、平面6、定子长槽7、励磁绕组8、定子齿9。
【具体实施方式】
[0021]【具体实施方式】一:如图1?图5所示，消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，包括定子2、转子1、励磁绕组8、正弦信号绕组4以及余弦信号绕组5 ;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7和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽7沿定子2内环面均布设置，相邻两个定子长槽7中间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽7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7和定子长齿的中部，环形槽2-2的槽宽与定子长槽7的槽宽相等；环形槽2-2将2NP个定子长齿均分割成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9 ;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8放置于定子2的环形槽2-2内，励磁绕组8与定子2同心设置；正弦信号绕组4与余弦信号绕组5分设两层缠绕于2NP对定子齿9上；即正弦信号绕组4与余弦信号绕组5不在同一层。
[0022]上定子齿2-1、下定子齿2-3的轴向长度与环形槽2-2的槽宽相等；可以更好的形成定子2与转子I之间的耦合面积，从而使输出的信号绕组的反电动势效果更好。
[0023]所述的转子I是由位于转子I圆周侧壁中部的由导磁材料制成的正弦形转子1-1和位于正弦形转子1-1轴向两端部的由非导磁材料制成的支撑套筒1-2两部分组成的。
[0024]所述的定子2由数片环形硅钢片叠压而成。此结构可有效地降低损耗。
[0025]正弦形转子1-1的厚度等于上定子齿2-1的轴向长度，支撑套筒1-2起到支撑正弦形转子1-1的作用，转子I的外形是正弦函数，有P对波峰和P对波谷。
[0026]【具体实施方式】二:如图1、图3所示，【具体实施方式】一所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，所述的正弦形转子1-1的材料为钋镆合金或软磁铁氧体材料，或者为叠加的硅钢片；所述的支撑套筒1-2的材料为铝合金。如此设计，改变了定子齿9与转子I的耦合面积，从而实现了气隙磁导的周期性变化。
[0027]【具体实施方式】三:如图1?图4所示，【具体实施方式】一或二所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，所述的正弦信号绕组4匝数和余弦信号绕组5匝数均按正弦规律分布。这种特殊结构能够实现高精度测量。
[0028]所述的正弦信号绕组4和余弦信号绕组5均为集中绕组，绕组匝数和线型均相同。保证了电阻相等，从而时正弦信号绕组4和余弦信号绕组5工作时有相同的性能，同时保证正、余弦信号绕组的输出电势幅值相等。
[0029]【具体实施方式】四:如图1?图4所示，【具体实施方式】三所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，所述的方法是:
[0030]对于正弦信号绕组4而言，任意选取一个过定子2的轴线且不与定子齿9相交的平面6，并以该平面6为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿9均分为2P组；从平面6开始沿顺时针方向将第一组相邻的N对定子齿9沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿9沿顺时针方向绕线，其他的2(P-1)组定子齿9的绕线方式与第一组、第二组定子齿9相同；所述的余弦信号绕组5绕线方式与正弦信号绕组4绕线方式相同，相位上相差90°电角度。
[0031]【具体实施方式】五:如图1?图4所示，【具体实施方式】四所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，
[0032]对于正弦信号绕组4而言，匝数为
f ^
[0033]Z1 =人 s1.n
V2N J
[0034]对于余弦信号绕组5而言，匝数为
Γ π 7 ?.{AnE π Λ
[0035]Z2 =K1-Sm —---
2 2 {2Ν IP)
[0036]式中，Z1为一对定子齿(9)上正弦信号绕组⑷的匝数，Z2为一个定子齿9上余弦信号绕组5的匝数，ZpZ2的值需要取整，ZpZ2为负值时表示反向绕线^为预取正弦信号绕组4匝数的幅值；K2为预取余弦信号绕组5匝数的幅值，K1, K2的单位是匝夂为距平面6的正弦相定子齿的对数，A2为距平面6的余弦相定子齿对数，ApA2取值范围均为O?2N。
[0037]本发明中，当转子I转动时，气隙磁导会随转子转角变化，每当转子I转过一个波峰(或波谷)气隙磁导变化一个周期，信号绕组中的感应电势也变化一个周期。
【权利要求】
1.一种消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，包括定子(2)、转子(I)、励磁绕组(8)、正弦信号绕组⑷以及余弦信号绕组(5);转子⑴和定子⑵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(7)和2NP个定子长齿，2NP个定子长槽(7)沿定子(2)内环面均布设置，相邻两个定子长槽(7)中间为所述的定子长齿，2NP个定子长槽(7)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(7)和定子长齿的中部，环形槽(2-2)将2NP个定子长齿均分割成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(9);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⑶放置于定子⑵的环形槽(2-2)内，励磁绕组⑶与定子(2)同心设置；正弦信号绕组(4)与余弦信号绕组(5)分设两层缠绕于2NP对定子齿(9)上。
2.根据权利要求1所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，其特征是:所述的转子(1)是由位于转子(I)圆周侧壁中部的由导磁材料制成的正弦形转子(1-1)和位于正弦形转子(1-1)轴向两端部的由非导磁材料制成的支撑套筒(1-2)两部分组成的。
3.根据权利要求2所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，其特征是:所述的正弦形转子(1-1)的材料为钋镆合金或软磁铁氧体材料，或者为叠加的硅钢片；所述的支撑套筒(1-2)的材料为招合金。
4.根据权利要求1所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，其特征是:所述的定子(2)由数片环形硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器，其特征是:所述的正弦信号绕组(4)匝数和余弦信号绕组(5)匝数均按正弦规律分布。这种特殊结构能够实现高精度测量。
6.一种权利要求5所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，其特征是:所述的方法是: 对于正弦信号绕组(4)而言，任意选取一个过定子(2)的轴线且不与定子齿(9)相交的平面￠)，并以该平面(6)为基准，沿顺时针方向将2NP对定子齿(9)均分为2P组；从平面(6)开始沿顺时针方向将第一组相邻的N对定子齿(9)沿逆时针方向绕线，第二组相邻的N对定子齿(9)沿顺时针方向绕线，其他的2(P-1)组定子齿(9)的绕线方式与第一组、第二组定子齿(9)相同；所述的余弦信号绕组(5)绕线方式与正弦信号绕组(4)绕线方式相同，相位上相差90°电角度。
7.根据权利要求6所述的消谐波式轴向磁路多极旋转变压器绕组绕线方法，其特征是: 对于正弦信号绕组(4)而言，匝数为.f A1M)
Z, =K, ■ Sm —^ 对于余弦信号绕组(5)而言，匝数为.(Απ πΛ 一人，■ sin--- ^{IN 2PJ 式中，Z1为一对定子齿(9)上正弦信号绕组(4)的匝数，Z2为一个定子齿(9)上余弦信号绕组(5)的匝数，ZpZ2的值需要取整，ZpZ2为负值时表示反向绕线^为预取正弦信号绕组⑷匝数的幅值；K2为预取余弦信号绕组(5)匝数的幅值，K1, K2的单位是匝夂为距平面(6)的正弦相定子齿的对数，A2为距平面(6)的余弦相定子齿对数，ApA2取值范围均为O?2N。
【文档编号】H01F27/00GK104200968SQ201410474842
【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, 丛宁, 刘承军, 赵猛, 江善林, 邹继斌, 刘雪缘 申请人:哈尔滨工业大学