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