旋转变压器原理及应用

U 2 Fຫໍສະໝຸດ Baidu (t ) U 2 Fm sin(t F )sin F U 2 Fc (t ) U 2 Fm sin(t F ) cos F
（2）
其中，U2Fs—正弦相的输出电压，U2Fc—余弦相的输出电压，U2Fm—次级输出电压的幅值；α F— 励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ F—发送机转子的转角。可以看出，励磁方和输出方 的电压是同频率的，但存在着相位差。正弦相和余弦相在电的时间相位上是同相的，但幅值彼 此 随 转 角分别作正弦和余弦函数变化。 U(α) U2FC(α) U2FS(α)
旋转变压器原理及应用
上海赢双电机有限公司 曲家骐 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“В р а щ а ю щ и й с я Т р а н с ф о р м а т о р ” ，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
U1 (t )＝U1m sin t
（1）
其中，U1m—励磁电压的幅值，ω —励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通， 在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发 生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正 交的 90°电角度，因而两相输出电压如式（2）所示：
0 90 180 270 360
α
图 5 旋变发送机两相输出电压和转角的关系曲线 旋变发送机的两相次级输出绕组，和旋变变压器的原方两相励磁绕组分别相联。这样，式 （2）所表示的两相电压，也就成了旋变变压器的励磁电压，并在旋变变压器中产生磁通 φ B。 旋转变压器的单相绕组作为输出绕组，旋变发送机次级绕组和旋变变压器初级绕组中流过的电 流为
1
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。
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。
U B2 （） U 2 Bm cos
（5 ）
将输出绕组在空间移过 90°。这样，在协调位置时，输出电动势为零。此时，输出电动势和失 调角的关系成为正弦函数：
U B2 （） U 2 Bm sin
UB2(Δθ)
（6）
0
90
180
270
360 Δθ
图 6 旋变变压器输出电动势和失调角的关系曲线 从图 6 和式（6）可以看出，输出电动势有两个为零的位置，即Δ θ ＝0°和在Δ θ ＝180 °。在 0°和 180°范围内，电动势的时间相位为正， 在 180°和 360°范围内， 电动势的时 间相位变化了 180°。Δ θ ＝180°的这个点属于不稳定点，因为在这个点上，电动势的梯度为负。当有失调 角时，旋变变压器输出绕组电动势不为零，这个电动势控制伺服放大器去驱动伺服电动机，驱 使旋变变压器和其它装置转到协调位置。这时，输出绕组的输出为零，伺服电动机停止工作。 因此，根据信号幅值大小和正、负方向工作的伺服电动机，总是把旋变变压器的转轴带到稳定 工作点Δ θ ＝ 0°的位置上。 ⒉⒊ 旋转变压器单独作为测角元件 在很多场合下，旋转变压器可以单独作为测角元件用，直接和角度信号变换单元连接，由 角度变换单元输出角度信号数据。磁阻式旋变就是只起这个作用的。下面有关信号变换的部分 将会说明。例如下图所示，其为旋变解码后的角度显示：
2
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。
αF
XF
R1 R2 U1 R3 R4 S2 S3 S1 S4 S2 S3 S1
（4）
式（4）表示在旋变发送机中，合成磁动势的轴线总是位于θ F 角上，亦即和励磁绕组轴线 一致的位置上，和转子一起转动。可以知道，在旋变变压器中，合成磁动势的轴线相应地也是 和 A 相绕组距θ F 角的位置上。 只是由于电流方向相反， 其方向也和在旋变发送机中相差 180°。 若旋变变压器转子转角为θ B， 则其单相输出绕组轴线和励磁磁场轴线夹角相差Δ θ =θ F－θ B。 那么，输出绕组的感应电动势应是：
αB
XB
S4 R2 R1
驱动控制器
伺服 电动机
变速齿轮
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。 ⒉⒉ 工作原理 前面已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕 组是由单相电压供电，电压可以写为式（1）形式：
IA
U 2 Fm sin F ZF ZB
U 2 Fm IB cos F ZF ZB
3
（3）
由这两个电流建立的空间和成磁动势为
FF ( x) F2 Fm cos F cos x sin F sin
x F2 Fm cos( F x)
a)
b)
c)
d)
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。
B
A
A—普通旋转变压器 B—环形变压器 图 1 无刷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。