基于Ansoft的新型磁阻式旋转变压器的设计及优化

基于Ansoft的新型磁阻式旋转变压器的设计及优化基于Ansoft 的新型磁阻式旋转变压器的设计及优化1刘平宙，方12丹，黄永瑞1卧龙电气集团股份有限公司，浙江绍兴（312300）2许继集团有限公司，河南许昌（461000）摘要介绍了新型磁阻式旋转变压器的的基本结构和工作原理，给出了定子激磁绕组和输分析了正弦绕组和凸极转子的设计方法。

通过Ansoft /Maxwell有限元仿真出绕组的的分布方式，分析软件对所设计的磁阻式旋转变压器进行了分析，得到了旋转变压器的仿真输出参数，进行了样机制作并对其完成了测试，通过测试结果和仿真分析结果的对比，验证了设计方案的正确性和为新型磁阻式旋转变压器的设计提供了设计依据。

可行性，关键词磁阻式旋转变压器；正弦绕组；转子优化；有限元分析文献标识码：A7281（2019）03-0020-04文章编号：1008-中图分类号：TM383．2：TM301．2Design and Optimization of New Reluctance Rotary Transformer Based on Ansoft Liu Pingzhou ，Fang Dan ，and Huang YongruiAbstractThis paper introduces the basic structure and operation principle of new reluc-tance rotary transformer ，gives the distribution patterns of stator excitation winding and output winding ，and analyzes the design methods of sine winding and salient-pole rotor．The designed reluctance rotary transformer is analyzed by Ansoft /Maxwellfinite-element simulation analysis software to obtain simulation output parameters．The prototype is manufacturedand tested．The correctness and feasibility of this design scheme are verified by comparison between simulation result and test result．It provides the basis to design new reluctance rotary transformers．Key words ment analysisReluctance rotary transformer ；sine windings ；rotor optimization ；finite-ele-0引言在电机的伺服控制系统中，往往需要对电机设计方案的瞬态仿真，得到了新型磁阻式旋转变通过样机的制作及测试，验证了压器的仿真参数，设计方案的正确性和可行性，为新型磁阻式旋转变压器的设计提供了设计参考依据。

实现对电机的转速、转的转子位置进行实时检测，矩的高精度控制。

在诸多的转子位置检测元件中，新型磁阻式旋转变压器以其结构简单、体积坚固耐用、抗干扰等优点在电机控制领域中得小、到广泛应用。

与传统的绕线式有刷和无刷旋转变压器以及磁阻旋转变压器相比，它省去了电刷和滑环，无刷化，不带有耦合变压器，结构简单，减小了电机体积，转子无需开槽，减少了转子齿数，提能够在恶劣的环境中高了运行速度和运行寿命，工作。

本文介绍了新型磁阻式旋转变压器的基本结给出了绕组和转子的设计方法，利构和工作原理，用Ansoft /Maxwell强大的仿真分析功能，进行了2011．1基本结构和工作原理电机结构传统的磁阻式旋转变压器相当于无接触式磁定阻可变的耦合变压器。

它也是由定转子组成，子铁心上有大齿、小齿，小齿均匀地分布在大齿（即极靴）的齿端，输入绕组、输出绕组以及补转子铁心偿绕组全部嵌放在定子铁心的大槽中，上没有绕组分布，其定转子冲片如图1所示。

为达到高精度要求，通常选取过多的极对数。

由于定转子上双开槽及大小齿的凸极结构，不能使电机的体积进一步减小，机构冗余，绕线复杂，不方便控制中进行矢量变换。

新型磁阻式旋转变压器的激磁绕组和信号输出绕组固定在定子上，利用转子磁极的凸极效应，使得励磁绕组和信号绕组之间的互感随磁阻转子的位置而变化，从而在信号绕组中感应出具有转子位置信息的变压器电动势。

通过定子槽数、转子极对数的选取，实现两相或多相正余弦旋转变压器。

转子磁极形状需做特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦波。

结构示意图如图2所示。

图3Resolver 工作原理示意图当给激磁绕组施加幅值为E sin （wt ）正弦交流电压时，则在信号输出绕组中的感应电势分别为{图1传统磁阻式旋变结构示意图E sin =K N E sin （wt ）sin （p θ）E cos =K N E sin （wt ）cos （p θ）（1）K N —旋变变比；θ—转子机械转角；ω—激磁式中，w =2pf 。

频率角，从上式中可以看出，两相输出信号与转子的转角θ成严格的正余弦关系。

22．1绕组与凸极转子的设计正弦绕组的设计若新型磁阻式旋转变压器的正弦绕组设计不则所设计的电机达不到设计要求，甚至输出合理，图2新型磁阻式旋变结构示意图波形也会出现严重的畸变。

所以绕组的设计极为重要。

多极旋转变压器正弦绕组的槽内有效导体数可按下面的公式调制4W z 2πp N sin i =sin （i －1）+θ0］Z s Z s1．2基本的工作原理给旋变的激磁绕组施加交流激磁电源，和普通的变压器一样，会产生一个脉振磁场。

当磁阻旋变的转子相对于定子旋转时，由于转子的凸极效应，空间磁导将会发生变化，转子每转过一转子齿距，空间磁导变化一个周期，由于磁导的周期变化，从而使穿过输出绕组的磁链也会发生周期变化，输出绕组中会感生出与转子转角相关的周期性变化的正、余弦电动势。

当转子转过一周时，感应电动势将变化转子极对数p 个周期。

与传统的磁阻式旋转变压器绕组相比，新型磁阻式旋转变压器的定子绕组和输出绕组都放置其中定子绕组为集中式绕组，采用隔在定子槽中，槽反向串联的联结方式，输出绕组采用的是正弦由于输出绕组有正弦和余弦两相，这式分布绕组，样每个定子的齿上要绕制3套绕组，分别是激磁绕组、正弦绕组和余弦绕组，两相输出绕组相差90ʎ电角度，其工作原理如图3所示。

{N cos i4W z 2πp=cos i －1）+θ0］Z s Z s（2）W z —每相绕组总的匝数；Z s —定子槽数；p —式中，转子极对数；i —槽序号；θ0—绕组轴线与槽的最小夹角。

把绕组轴线与某槽中心重合的绕组，称为Ⅰ型绕组，此时θ0=0；若绕组轴线与某齿中心重合，称为Ⅱ型绕组，此时θ0=πp /Zs ；若绕组轴线既不在槽的中心线上，也不在齿的中心线上，称为Ⅲ型绕组，此时θ0=π/4。

Ⅰ型和Ⅱ型绕组的单元绕组槽数Z 0必须为4的倍数，但Ⅲ型绕组的单元绕组槽数Z 0可以为任意正整数，多用于2极对数Z 0不可能是4的倍数，的旋转变压器，而为奇数。

所以Ⅲ型绕组能使两相输出绕组正交，更适合于新型磁阻式旋转变压器。

用式（2）计算出槽内有21n导体数后，通过对每槽绕组的合理分层，可以得到［1-3］。

各个齿上的正弦分布匝数2．2凸极转子的设计磁阻式旋转变压器的转子形状不仅影响输出而且对旋变的精度也有很大的影信号的正弦性，响，所以设计磁阻式旋转变压器，不仅要重视正弦绕组的设计，转子凸极形状的设计也极为重要。

设计一款性能优异的磁阻式旋转变压器，定转子的设计都应给与高度重视。

首先确定好定、转子之间最小气隙长度δmin及最大气息长度δmax ，如图4所示。

导入Ansoft 中，这方便在后续的仿真中对定、转子模型的优化，节省了模型的建立和修改时间。

模型导入后，要重新对模型中的不同模块进行命名及材料属性分配。

命名和材料属性分配完毕后，进行运动区域、边界条件、绕组分配、网格剖手分的设置及求解设置。

为了提高计算的精度，动剖分网格，把气隙处的节点剖分的更为细腻。

激磁绕组是集中式绕组，相邻反向串联，各槽中正弦绕组和余弦绕组按正余弦规律进行分配设置，确定好绕组的匝数及绕制方向。

30槽6对极磁阻式旋转变压器的2D 模型如图5所示。

图4转子示意图［4］［5］根据转子凸极磁场的特点处的气隙长度应满足d min ＜d π/2＜2d minπ，电气角度2图5旋变2D 模型3．2这个值决定了气隙磁场中恒定分量和基波分量的比例。

气息长度为d max /2处成为转子凸极的拐点，即转子凸极和凹极的转折点，定义该处的电角度为α。

该角度对旋变输出信号的影响较大，选择合适的α角能够有效减小定子齿槽的齿谐波对气隙磁密波形的干扰，提高磁阻式旋转变压器的的精度。

激励源的设置本分析采用外电路激励方式，如图6所示，激励源是电压幅值为7V ，频率为10kHz 的单相正弦L A ，在激励电路中设置好激励绕组参数R A 、电压，L s 、R c 、L c ，L s =L c 。

输出绕组参数R s 、其中R s =R c ，在测量正、余弦输出电压时要求电机空载，因此电路设置为开路，在输出绕组电路中分别串接一个100M Ω的电阻，以实现其空载运行状态。

33．1磁阻式旋变的瞬态有限元分析有限元模型的建立与设置根据磁阻式旋转变压器的定转子设计方法，图6激磁外电路3．3确定了绕组分布形式及转子形状。

利用Ansoft 强大的仿真分析功能，在二维瞬态场中，对一台30槽6对极的旋变进行瞬态仿真分析。

由于在Ansoft 中建模比较麻烦，在AutoCAD 中建立其2D 模型，利用Ansoft 中的模型导入功能，将2D 模型22仿真分析结果仿真时间为将旋变的转速设为1000rpm ，10ms （1/6个周期）。

根据设置好的仿真条件，将开始对2D 模型进行有外电路与2D 模型联接好，限元分析。

分析完毕，通过仿真后处理，得到旋转变压器一系列的的仿真分析数据，通过这些数据来分析设计方案的合理性，若仿真结果不满意，可以对设计方案进行修改，重新进行仿真分析，直至达到预想的设计效果。

本仿真结果是通过优化后如图7-图9所示。

的转子4得到的，小，对旋变转子的凸极形状进行优化，可以大大提使旋变的误差从最高磁阻式旋转变压器的精度，初设计的转子1时的4．25ʎ减小到优化设计后转满足了其在控制应用中的精度要子4时的1．75ʎ，求。