新型磁阻式旋转变压器电磁场有限元分析

收稿日期： 2010-04-15
图 1 传统磁阻旋变结构示意图
作者简介： 邓 清（ 1984） ，女，硕士研究生，研究方向为电机与电器。E-mail： dq0529@ gmail．com
莫会成（ 1962） ，男，硕导，从事微特电机科研管理、产品开发等方面的工作。
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44 卷
本文提出的一种新型磁阻式旋转变压器则克 服了以上缺陷。它的结构同传统的磁阻旋变一样， 由定、转 子 组 成， 不 同 之 处 在 于， 定 子 铁 心 由 带 有一定槽数的硅钢片叠压而成的，激磁绕组和两 相信号输出绕组均嵌放在定子铁心上，不存在大 小齿结构，使 电 机 结 构 趋 于 简 单 化， 转 子 是 没 有 嵌放任何绕组的凸极式铁心。其结构示意图如图 2 所示（ 图中绕组未画出，定子采用梨形槽，气隙被 放大） 。
旋转变压器的工作原理和输出电动势示意图。
图 2 新型磁阻旋变结构示意图
1. 2 工作原理
新型磁阻式旋转变压器的基本原理是利用转
子磁极的凸极效应，使得激磁绕组和两相信号绕
组之间的耦合关系随转子的位置而变化会引起互
感变化，从而在两相输出信号绕组中感应出具有
转子位置信息的变压器电动势。当转子相对于定
子转动时，二者之间的气隙磁导发生相应的变化，
0引言
磁阻式旋转变压器（ Variable Reluctance Resolver） 是一种基于磁阻变化原理的高精度角位传感电 机［1］。该种电机结构简单，没有电刷滑环的接触， 具有无刷 化、 高 可 靠 性、 高 精 度、 成 本 低 廉、 小 型化和易于安装等优点，可以提高系统的可靠性 和抗冲击能 力， 适 应 条 件 恶 劣 的 工 作 环 境， 并 能 连续高速，长寿命的运行。已被广泛应用于航空、 航天、雷 达、 坦 克 等 军 事 装 备， 也 可 用 于 数 控 机 床和机器人等民用控制系统和机器人系统，呈现 强大的市场 潜 力， 今 后 有 望 得 到 普 及。 鉴 于 磁 阻 式旋转变压器有诸多优点，该种电机已成为角位 传感电机方面一个新的研究领域。本文详细地介 绍了新 型 磁 阻 式 旋 转 变 压 器 的 结 构 和 工 作 原 理， 采用电机电磁场仿真软件 Ansoft / Maxwell 2D 设计 电机，并进行 瞬 态 磁 场 的 仿 真 分 析。 通 过 仿 真 分 析，得出了磁阻旋变的两相输出电压和磁场分布 图。分析了电 机 内 磁 场 分 布 的 规 律， 并 制 作 了 样
（ 2） 设置材料特性 在指定材 料 属 性 时， 定、 转 子 所 采 用 的 硅 钢
5期
邓 清等： 新型磁阻式旋转变压器电磁场有限元分析
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片材料的型号是 W350。在 Ansoft / maxwell 2D 的材 料数据库中并没有该种材料，所以要将 B-H 曲线 离散化，再将其中的值输入到材料赋值器中自定 义该种材料，拟合出材料的 B-H 曲线。在定义曲 线时，必须能够定义到饱和区，尽可能多的取点， 使拟合出的曲线更接近于真实的磁化曲线。导线 全部设置为铜（ copper） ，气隙和转动带都设置为空 气（ air） ，绝缘材料设置为聚酰亚胺（ polyimide） 。
（ 3） 设置边界条件和激励源 边界条 件 采 用 的 是 气 球 边 界， 可 以 有 效 地 隔 绝模型外的电荷源和电压源。设置好边界条件后， 需要设置的是激励源，在二维瞬态分析中可以设 置的激励源有： 实体电流、实体电压、表面电流 以及外部电 路， 本 文 选 用 的 是 外 部 电 路。 一 般 磁 阻式旋变采用单相交流电压激励，所以本文中采 用 v = 5 槡2 sin （ 2π × 104 t） 作 为 电 机 的 激 励 电 压。 Ansoft / maxwell 2D 软 件 中 有 实 体 导 体 （ Solid Conductor） 和铰链导体（ Stranded Conductor） 两种绕组形 式。因为磁阻旋变的绕组是由多匝铜线绕制而成 的，所以选择 stranded 作为绕组形式，设置绕组匝 数和导线中的电流方向。再进行外部电路的连接， 其中每个绕组的电感为 1 H，这并不是线圈的电 感，这个 1 H 的感应器只代表绕组本身。在电路中 还得加入串联的电阻器和相应的电感。测量电机 的输出电压 时， 电 机 在 空 载 状 态 下 运 行， 在 电 路 中接入一个 500 MΩ 的电阻，使电路设置为开路。 （ 4） 设置可执行参数 a. 有限元网格剖分 定义好 各 部 分 的 属 性 后， 就 可 以 对 模 型 进 行 网格剖分，即 对 电 机 模 型 进 行 离 散 化。 在 本 文 中 采用三角形有限元表示整个计算区域，形成一个 网格图。在 Ansoft / maxwell 2D 软件中的自适应网 格剖分较为粗糙，在实际的应用中还需要再进行 手动剖分细化以及局部加密网格。需要注意的是 介于定子与转子之间的气隙是磁阻式旋变最重要 的部分， 磁 场 的 变 化 率 较 大。 为 了 提 高 精 度， 气 隙采用了尺寸很小的有限元剖分，来得到更加精 确的结果。手 动 剖 分 网 格 时， 在 气 隙 处 应 对 节 点 进行更为细致的划分，本文设置为 6000，如图 5 所示。 b. 设置动态分析的有关选项 分析电 机 在 运 动 时 的 磁 场 分 布 情 况， 在 进 行 求解设置中， 将 运 算 时 间 设 置 为 一 个 周 期。 电 机 在运 行 时， 转 子 旋 转， 通 过 定 义 band 来 仿 真， band（ 用于将静止物体和运动物体分开） 外的物体
机，在试 验 的 基 础 上， 验 证 了 设 计 的 可 行 性， 为 磁阻旋变的优化设计提供了理论基础和依据［2－ 4］。
1 结构和工作原理
1. 1 电机结构 新型磁 阻 式 旋 转 变 压 器 实 际 上 是 无 接 触 式
磁阻可变的耦合变压器。传统的磁阻式旋转变 压器，定转子间虽然没有直接接触，也具有无 刷化，但由于其定转子均采用双开槽，大小齿 的凸极结构，增加了电机的体积。为了达到一 定的精度，所取的极对数较多，使得结构冗余， 绕组形式复杂，也就增加了下线的难度，其结 构示意图如图 1 所示（ 气隙被放大） 。
2. Xi＇an Micromotor Research Institute，Xi＇an 710077，China） Abstract： The basic configuration and the operation principle of the variable reluctance resolver were described． In this paper，the FEA（ Finite Element Analysis） simulation analysis of VR was proposed． The waveforms of the induced voltage and magnetic field distribution ware obtained by simulation． The prototype machine as the analytical model was manufactured and the measurements were carried out． It is shown that sinusoidal two-phase voltages according to the change of the rotor position can be obtained in the output winding． which were very close to the simulations． The simulation result of can be available to design and optimize this new type resolver． Key words： variable reluctance resolver； FEA； Ansoft / Maxwell 2D
析，通过仿真分析，得出了电机的输出电压波形和磁场分布图，并制作样机和进行试验，验证了两相输出的正
弦性，为电机的优化设计提供了理论基础和依据。
关键词： 磁阻式旋转变压器； 有限元分析； Ansoft / Maxwell 2D
中图分类号： TM383. 2
文献标志码： A
文章编号： 1001-6848（2011）05-0005-04
Finite Element Analysis of Variable Reluctance Resolver
DENG Qing1 ，MO Huicheng2 ，JING Xiuhua2 （ 1. College of Electrical Engineering，Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an 710049，China；
不运动，并将 Band 内的物体指定为同一种运动， 转速为 104 r / min，周期为 0. 006 s，瞬态求解的终 止时间为 0. 006 s，步长为 2e － 006 s。
图 5 磁阻旋变网格剖分图
（ 5） 后处理 求解结 束 后， 可 以 得 到 软 件 模 拟 数 据 绘 制 出 的曲 线 图，用 以 电 机 的 性 能 分 析。 通 过 Ansoft / maxwell 2D 软件强大的后处理功能，可以判断所建 模的电机是 否 达 到 所 需 的 要 求， 如 果 不 满 足， 可 以修正电机的参数 （ 如气隙大小，绕组匝数等） ， 重新建模，使设计的电机达到要求。 2. 2 仿真结果 通过上 述 的 有 限 元 仿 真 分 析， 可 以 得 到 一 系 列的参数曲线，如磁阻旋变的空载磁力线分布图， 电机空载时 定、 转 子 磁 密 分 布 图， 正 余 绕 组 输 出 信号图，分别如图 6 － 图 8 所示。
电压与转子转角 θ 的关系为
{ES1 － S3 = KEsin（ ωt） cos（ Xθ） ES2 － S4 = KEsin（ ωt） cos（ Xθ）
（ 2）
式中，K 为变比； X 为极对数 （ X = 2，3，4 等） ；
ES1 － S3 、ES2 － S4 分别为正弦、余弦输出信号。 新型磁阻式旋转变压器的激磁绕组采用的是
与转子转角成正弦或余弦关系。
当激磁 绕 组 通 以 正 弦 变 化 的 激 磁 电 压 时， 将
会在两相信号输出绕组中产生感应电势。
若激磁绕组的输入电压为
ER1 － R3 = Esin（ ωt）
（ 1）
式中，ER1 － R3 为激磁信号幅值； ω 为激磁信号角频
率，ω = 2πf。
则正弦输出Biblioteka Baidu组和余弦输出绕组的输出信号
第 44 卷 第 5 期 2011 年 5 月
MICROMOTORS
Vol. 44． No. 5 May. 2011
新型磁阻式旋转变压器电磁场有限元分析
邓 清1 ，莫会成2 ，井秀华2
（ 1. 西安交通大学 电气工程学院，西安 710049； 2. 西安微电机研究所，西安 710077）
摘 要： 介绍了新型磁阻式旋转变压器的结构和工作原理，采用有限元仿真软件 Ansoft / Maxwell 2D 进行仿真分
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输出电压 / V 2. 1
输入阻抗 / Ω 90
转速 / r·min － 1 104
频率 / Hz 重量 / kg 机壳外径 / mm 定子外径 / mm 定子内径 / mm 转子外径 / mm
104 0. 33 80 75 56 55. 2
电机仿真模型如图 4 所示。
图 4 新型磁阻式旋转变压器仿真模型
转子每转过一个转子齿距，气隙磁导则变化一个
周期，转过一 个 圆 周 时， 气 隙 磁 导 变 化 的 周 期 数
与转子凸极数 p 相等，因此，转子凸极数相当于磁
阻多极旋转变压器的极对数，从而获得多极的效
果。空间气隙 磁 导 的 变 化， 导 致 激 磁 绕 组 与 两 相
输出绕组之间的互感发生变化，从而使输出电压
单相等匝集中绕组，输出绕组采用的是正弦绕组，
两相输出绕组相差 90°电角度。图 3 为新型磁阻式
图 3 新型磁阻旋变工作原理示意图
2 有限元磁场分析
2. 1 电机的瞬态分析
（ 1） 几何模型设置 电机主要技术指标和参数如表 1 所示。
表 1 主要技术指标与结构参数
输入电压 / V AC5
极对数
3
槽数