旋转变压器原理及应用

旋轉變壓器原理及應用上海贏雙電機有限公司⒈概述⒈⒈旋轉變壓器的發展旋轉變壓器用於運動伺服控制系統中，作為角度位置的傳感和測量用。

早期的旋轉變壓器用於計算解答裝置中，作為模擬電腦中的主要組成部分之一。

其輸出，是隨轉子轉角作某種函數變化的電氣信號，通常是正弦、余弦、線性等。

這些函數是最常見的，也是容易實現的。

在對繞組做專門設計時，也可產生某些特殊函數的電氣輸出。

但這樣的函數只用於特殊的場合，不是通用的。

60年代起，旋轉變壓器逐漸用於伺服系統，作為角度信號的產生和檢測元件。

三線的三相的自整角機，早於四線的兩相旋轉變壓器應用於系統中。

所以作為角度信號傳輸的旋轉變壓器，有時被稱作四線自整角機。

隨著電子技術和數字計算技術的發展，數字式電腦早已代替了模擬式電腦。

所以實際上，旋轉變壓器目前主要是用於角度位置伺服控制系統中。

由於兩相的旋轉變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉變壓器應用的更廣泛。

特別是，在高精度的雙通道、雙速系統中，廣泛應用的多極電氣元件，原來採用的是多極自整角機，現在基本上都是採用多極旋轉變壓器。

旋轉變壓器是目前國內的專業名稱，簡稱“旋變”。

俄文裏稱作“ВращающийсяТрансформатор” ，詞義就是“旋轉變壓器”。

英文名字叫“resolver”，根據詞義，有人把它稱作為“解算器”或“分解器”。

作為角度位置傳感元件，常用的有這樣幾種：光學編碼器、磁性編碼器和旋轉變壓器。

由於製作和精度的緣故，磁性編碼器沒有其他兩種普及。

光學編碼器的輸出信號是脈衝，由於是天然的數字量，數據處理比較方便，因而得到了很好的應用。

早期的旋轉變壓器，由於信號處理電路比較複雜，價格比較貴的原因，應用受到了限制。

因為旋轉變壓器具有無可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場合有著不可代替的地位，特別是在軍事以及航太、航空、航海等方面。

隨著電子工業的發展，電子元器件集成化程度的提高，元器件的價格大大下降；另外，信號處理技術的進步，旋轉變壓器的信號處理電路變得簡單、可靠，價格也大大下降。

而且，又出現了軟體解碼的信號處理，使得信號處理問題變得更加靈活、方便。

這樣，旋轉變壓器的應用得到了更大的發展，其優點得到了更大的體現。

和光學編碼器相比，旋轉變壓器有這樣幾點明顯的優點：①無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環境條件的能力；②可以運行在更高的轉速下。

（在輸出12 bit的信號下，允許電動機的轉速可達60,000rpm。

而光學編碼器，由於光電器件的頻響一般在200kHz以下，在12 bit時，速度只能達到3,000rpm）；③方便的絕對值信號數據輸出。

⒈⒉旋轉變壓器的應用旋轉變壓器的應用，近期發展很快。

除了傳統的、要求可靠性高的軍用、航空航太領域之外，在工業、交通以及民用領域也得到了廣泛的應用。

特別應該提出的是，這些年來，隨著工業自動化水準的提高，隨著節能減排的要求越來越高，效率高、節能顯著的永磁交流電動機的應用，越來越廣泛。

而永磁交流電動機的位置感測器，原來是以光學編碼器居多，但這些年來，卻迅速地被旋轉變壓器代替。

可以舉幾個明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調、還是洗衣機，目前都是向變頻變速發展，採用的是正弦波控制的永磁交流電動機。

目前各國都在非常重視的電動汽車中，電動汽車中所用的位置、速度感測器都是旋轉變壓器。

例如，驅動用電動機和發電機的位置傳感、電動助力方向盤電機的位置速度傳感、燃氣閥角度測量、真空室傳送器角度位置測量等等，都是採用旋轉變壓器。

在應用於塑壓系統、紡織系統、冶金系統以及其他領域裏，所應用的伺服系統中關鍵部件伺服電動機上，也是用旋轉變壓器作為位置速度感測器。

旋轉變壓器的應用已經成為一種趨勢。

⒈⒊旋轉變壓器的結構根據轉子電信號引進、引出的方式，分為有刷旋轉變壓器和無刷旋轉變壓器。

在有刷旋轉變壓器中，定、轉子上都有繞組。

轉子繞組的電信號，通過滑動接觸，由轉子上的滑環和定子上的電刷引進或引出。

由於有刷結構的存在，使得旋轉變壓器的可靠性很難得到保證。

因此目前這種結構形式的旋轉變壓器應用的很少，我們著重於介紹無刷旋轉變壓器。

目前無刷旋轉變壓器有兩種結構形式。

一種稱作為環形變壓器式無刷旋轉變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉變壓器。

1）環形變壓器式旋轉變壓器圖1示出環形變壓器式無刷旋轉變壓器的結構。

這種結構很好地實現了無刷、無接觸。

圖中右側部分是典型的旋轉變壓器的定、轉子，在結構上和有刷旋轉變壓器一樣的定、轉子繞組，作信號變換。

左側是環形變壓器。

它的一個繞組在定子上，一個在轉子上，同心放置。

B A轉子上的環形變壓器繞組和作信號變換的轉子繞組相聯，它的電信號的輸入輸出由環形變壓器完成。

A—普通旋轉變壓器B—環形變壓器圖1無刷式旋轉變壓器結構示意2）磁阻式旋轉變壓器圖2是一個10對極的磁阻式旋轉變壓器的示意圖。

磁阻式旋轉變壓器的勵磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內，固定不動。

但勵磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。

兩相繞組的輸出信號，仍然應該是隨轉角作正弦變化、彼此相差90°電角度的電信號。

轉子磁極形狀作特殊設計，使得氣隙磁場近似於正弦形。

轉子形狀的設計也必須滿足所要求的極數。

可以看出，轉子的形狀決定了極對數和氣隙磁場的形狀。

磁阻式旋轉變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起，以分裝形式提供給用戶，由用戶自己組裝配合。

a)b)c)d)圖2 磁阻式旋轉變壓器結構示意3） 多極旋轉變壓器圖3多極旋轉變壓器的結構示意圖。

圖3 a)、b) 是共磁路結構，粗、精機定、轉子繞組公用一套鐵心。

所謂粗機，是指單對磁極的旋轉變壓器，它的精度低，所以稱為粗機；精機是指多對極的旋轉變壓器，由於精度高，多對磁極的旋轉變壓器稱為精機。

其中圖3a) 表示的是旋轉變壓器的定子和轉子組裝成一體，由機殼、端蓋和軸承將它們連在一起。

稱為組裝式，圖3b) 的定轉子是分開的，稱為分裝式。

圖3c)、d) 是分磁路結構，粗、精機定、轉子繞組各有自己的鐵心。

其中圖4c)、d)都是組裝式，只是粗、精機位置安放的形式不一樣，圖3c) 的粗、精機平行放置，圖3d) 粗、精機是垂直放置，粗機在內腔。

另外，很多時候也有單獨的多極旋轉變壓器。

應用時，若仍需要單對極的旋轉變壓器，則另外配置。

共磁路 分磁路驱动控制器R1R3R2R4S2S1S4S3S2S1S4S3R2R1U 1XFXBαBαF变速齿轮伺服电动机a)組裝式 b)分裝式 c)粗精平行放置 d)粗精垂直放置圖3多極旋轉變壓器結構示意對於多極旋轉變壓器，一般都必須和單極旋轉變壓器組成統一的系統。

在旋轉變壓器的設計中，如果單極旋轉變壓器和多極旋轉變壓器設計在同一套定、轉子鐵心中，而分別有自己的單極繞組和多極繞組。

這種結構的旋轉變壓器稱為雙通道旋轉變壓器。

如果單極旋轉變壓器和多極旋轉變壓器都是單獨設計，都有自己的定、轉子鐵心。

這種結構的旋轉變壓器稱為單通道旋轉變壓器。

⒉ 旋轉變壓器的工作原理⒉⒈ 旋轉變壓器角度位置伺服控制系統圖4是一個比較典型的角度位置伺服控制系統。

XF 稱作旋變發送機，XB 稱作旋變變壓器。

旋變發送機發送一個與機械轉角有關的、作一定函數關係變化的電氣信號；旋變變壓器接受這個信號、並產生和輸出一個與雙方機械轉角之差有關的電氣信號。

伺服放大器接受選變壓器的輸出信號，作為伺服電動機的控制信號。

經放大，驅動伺服電動機旋轉，並帶動接受方旋轉變壓器轉軸及其它相連的機構，直至達到和發送機方一致的角位置。

旋變發送機的初級，一般在轉子上設有正交的兩相繞組，其中一相作為勵磁繞組，輸入單相交流電壓；另一相短接，以抵消交軸磁通，改善精度。

次級也是正交的兩相繞組。

旋變變壓器的初級一般在定子上，由正交的兩相繞組組成；次級為單項繞組，沒有正交繞組。

圖4旋轉變壓器角度位置伺服控制系統應該指出，由於結構的關係，磁阻式旋變只有旋變發送機，沒有旋變變壓器。

⒉⒉ 工作原理前面已經介紹過，旋轉變壓器有旋變發送機和旋變壓器之分。

作為旋變發送機它的勵磁繞U(α)αU 2FS (α)U 2FC (α)090180270360組是由單相電壓供電，電壓可以寫為式（1）形式：t U t U m ωsin )(11＝ （1）其中，U 1m —勵磁電壓的幅值，ω—勵磁電壓的角頻率。

勵磁繞組的勵磁電流產生的交變磁通，在次級輸出繞組中感生出電動勢。

當轉子轉動時，由於勵磁繞組和次級輸出繞組的相對位置發生變化，因而次級輸出繞組感生的電動勢也發生變化。

又由於次級輸出的兩相繞組在空間成正交的90°電角度，因而兩相輸出電壓如式（2）所示：F22F 2s 2cos )sin()(sin )sin()(θαωθαωF Fm Fc F Fm F t U t U t U t U +=+= （2）其中，U 2Fs —正弦相的輸出電壓，U 2Fc —余弦相的輸出電壓，U 2Fm —次級輸出電壓的幅值；αF —勵磁方和次級輸出方電壓之間的相位角，θF —發送機轉子的轉角。

可以看出，勵磁方和輸出方的電壓是同頻率的，但存在著相位差。

正弦相和余弦相在電的時間相位上是同相的，但幅值彼此隨轉角分別作正弦和余弦函數變化。

圖5旋變發送機兩相輸出電壓和轉角的關係曲線旋變發送機的兩相次級輸出繞組，和旋變變壓器的原方兩相勵磁繞組分別相聯。

這樣，式（2）所表示的兩相電壓，也就成了旋變變壓器的勵磁電壓，並在旋變變壓器中產生磁通φB 。

旋轉變壓器的單相繞組作為輸出繞組，旋變發送機次級繞組和旋變變壓器初級繞組中流過的電流為FBF FmB FBF FmZ Z U I Z Z U θθcos sin I 22A +=+=（3）由這兩個電流建立的空間和成磁動勢為)cos(sinsin cos cos )(F 22F x F x x F x F Fm F F Fm τπθτπθτπθ+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-= （4）。