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旋转变压器的原理和应用-上海赢双电机有限公司-中国传动网应用案例

信息来源:chuandong.biz  时间:2010-02-26  浏览次数:158

  摘 要:本文介绍了虽然目前已逐渐被广泛应用,但仍未被人们所熟悉的,角度位置传感元件—旋转变压器。文章对旋转变压器的发展、结构、原理、参数与性能指标及其信号变换做了简单的介绍;最后对几种类型旋转变压器的各方面作了比较,以供选择、使用时参考。
  ⒈概述
  ⒈⒈ 旋转变压器的发展
  旋转变压器用于运动伺服控制系统中,作为角度位置的传感和测量用。早期的旋转变压器用于计算解答装置中,作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出,是随转子转角作某种函数变化的电气信号,通常是正弦、余弦、线性等。这些函数是最常见的,也是容易实现的。在对绕组做专门设计时,也可产生某些特殊函数的电气输出。但这样的函数只用于特殊的场合,不是通用的。60年代起,旋转变压器逐渐用于伺服系统,作为角度信号的产生和检测元件。三线的三相的自整角机,早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器,有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发展,数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上,旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度,所以旋转变压器应用的更广泛。特别是,在高精度的双通道、双速系统中,广泛应用的多极电气元件,原来采用的是多极自整角机,现在基本上都是采用多极旋转变压器。
  旋转变压器是目前国内的专业名称,简称“旋变” 。俄文里称作“Вращающийся Трансформатор” ,词义就是“旋转变压器”。英文名字叫“resolver”,根据词义,有人把它称作为“解算器”或“分解器”。
  作为角度位置传感元件,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,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。
  随着电子工业的发展,电子元器件集成化程度的提高,元器件的价格大大下降;另外,信号处理技术的进步,旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠,价格也大大下降。而且,又出现了软件解码的信号处理,使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样,旋转变压器的应用得到了更大的发展,其优点得到了更大的体现。和光学编码器相比,旋转变压器有这样几点明显的优点:①无可比拟的可靠性,非常好的抗恶劣环境条件的能力;②可以运行在更高的转速下。(在输出12 bit的信号下,允许电动机的转速可达60,000rpm。而光学编码器,由于光电器件的频响一般在200kHz以下,在12 bit时,速度只能达到3,000rpm);③方便的绝对值信号数据输出。
  ⒈⒉ 旋转变压器的应用
  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。可以举几个明显的例子,在家电中,不论是冰箱、空调、还是洗衣机,目前都是向变频变速发展,采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国都在非常重视的电动汽车中,电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如,驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等,都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里,所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上,也是用旋转变压器作为位置速度传感器。
  旋转变压器的应用已经成为一种趋势。
  ⒈⒊ 旋转变压器的结构
  根据转子电信号引进、引出的方式,分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋转变压器中,定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号,通过滑动接触,由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在,使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少,我们着重于介绍无刷旋转变压器。
  目前无刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器,另一种称作为磁阻式旋转变压器。
  1)环形变压器式旋转变压器
  图1示出环形变压器式无刷旋转变压器的结构。这种结构很好地实现了无刷、无接触。图中右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子,在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组,作信号变换。左侧是环形变压器。它的一个绕组在定子上,一个在转子上,同心放置。
  转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联,它的电信号的输入输出 由环形变压器完成。
  A—普通旋转变压器 B—环形变压器
  图1环变式旋转变压器结构示意
  2)磁阻式旋转变压器
  图2是一个10对极的磁阻式旋转变压器的示意图。磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内,固定不动。但励磁绕组和输出绕组的形式不一样。两相绕组的输出信号,仍然应该是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号。转子磁极形状作特殊设计,使得气隙磁场近似于正弦形。转子形状的设计也必须满足所要求的极数。可以看出,转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状。
  磁阻式旋转变压器一般都做成分装式,不组合在一起,以分装形式提供给用户,由用户自己组装配合。
  图2 磁阻式旋转变压器结构示意
  3) 多极旋转变压器
  图3多极旋转变压器的结构示意图。图3 a)、b) 是共磁路结构,粗、精机定、转子绕组公用一套铁心。所谓粗机,是指单对磁极的旋转变压器,它的精度低,所以称为粗机;精机是指多对极的旋转变压器,由于精度高,多对磁极的旋转变压器称为精机。其中图3a) 表示的是旋转变压器的定子和转子组装成一体,由机壳、端盖和轴承将它们连在一起。称为组装式,图3b) 的定转子是分开的,称为分装式。图3c)、d) 是分磁路结构,粗、精机定、转子绕组各有自己的铁心。其中图4c)、d)都是组装式,只是粗、精机位置安放的形式不一样,图3c) 的粗、精机平行放置,图3d) 粗、精机是垂直放置,粗机在内腔。另外,很多时候也有单独的多极旋转变压器。应用时,若仍需要单对极的旋转变压器,则另外配置。
  共磁路 分磁路
  a)组装式 b)分装式 c)粗精平行放置 d)粗精垂直放置
  图3多极旋转变压器结构示意
  对于多极旋转变压器,一般都必须和单极旋转变压器组成统一的系统。在旋转变压器的设计中,如果单极旋转变压器和多极旋转变压器设计在同一套定、转子铁心中,而分别有自己的单极绕组和多极绕组。这种结构的旋转变压器称为双通道旋转变压器。如果单极旋转变压器和多极旋转变压器都是单独设计,都有自己的定、转子铁心。这种结构的旋转变压器称为单通道旋转变压器。
  ⒉ 旋转变压器的工作原理
  ⒉⒈ 旋转变压器角度位置伺服控制系统
  图4是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机,XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号,作为伺服电动机的控制信号。经放大,驱动伺服电动机旋转,并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构,直至达到和发送机方一致的角位置。
  旋变发送机的初级,一般在转子上设有正交的两相绕组,其中一相作为励磁绕组,输入单相交流电压;另一相短接,以抵消交轴磁通,改善精度。次级也是正交的两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上,由正交的两相绕组组成;次级为单项绕组,没有正交绕组。
  图4旋转变压器角度位置伺服控制系统
  应该指出,由于结构的关系,磁阻式旋变只有旋变发送机,没有旋变变压器。
  

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