旋转变压器

E f 4 .4 4 fW fK w f m U f
E r 4 .4 4 fW rK w r m K e E f K e U f
K e
W rKw r W f Kw f
W r E r
W f
Ef
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若转子绕组轴线偏离励磁绕组轴线位置，即
转子绕组Wc 与激磁绕组Wf 轴线的夹角为角时，
图4.9 旋转变压器定转子组件图
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旋转变压器分为有刷式和无刷式
有刷式旋转变压器
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无刷式旋转变压器
4.2.2正余弦旋转变压器的工作原理
旋转变压器是一个能够转动的变压器，它的 定子绕组相当于普通变压器的一次侧线圈(励磁线 圈)。而转子绕组就相当于普通变压器的二次侧线 圈。根据测得的输出电压，就可以知道转子转角 的大小。对励磁电压的相位移等于转子的转动角 度，检测出相位，即可测出角位移。
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4.1 旋转变压器的类型和用途
按着输出电压和转子转角间的函数关系 ，旋转变压器主要可以分：正、余弦旋转 变压器(代号为XZ)和线性旋转变压器(代号 为XX)、比例式旋转变压器(代号为XL)， 矢 量旋转变压器（代号为XS）及特殊函数旋 转变压器等。
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按旋转变压器在系统中用途可 分为解算用旋转和数据传输用旋转 变压器。根据数据传输用旋转变压 器在系统中的具体用途，又可分为 旋变发送机(代号为XF)，旋变差动 发送机(代号为XC)，旋变变压器( 又名旋变接收器)(代号为XB)。
（4-13）
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图4.18 余弦输出绕组Z3-Z4带负载
带负载后旋转变压器的工作情况可以用具有两部分绕组的 普通变压器来表示，它的等值电路如图4.19 所示，转子电 流相当于分别流过两个转子绕组，其中-个为等效的直轴 绕组具有匝，另一个为等效的横轴绕组具有匝，直轴等效 绕组轴线与激磁绕组轴线重合，彼此完全重合，如同普通 变压器中一、二次线圈的关系-样，横轴等效绕组与激磁 绕组完全不重合，因此，由 产生的磁通对定子激磁绕组 DI-DZ 来说完全是漏磁通，但对定子上另一个绕组D3-D4 却完全重合。
旋转型压器的定子励磁绕组和转子输，表示了余弦输出绕组Z3-Z4带负载的情
况，在输出绕组中应出电动势Ec 。电动势产生电流.电流Ic 产生沿绕
组轴线方向的磁通势Fc.它是一个脉振磁场。设该磁场的磁通密度沿
定子内圆作正弦升布，为分析方便，把它看作对应转子电流达到最大
度。
图4.1 旋转变压器
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旋转变压器作为 一种最常用的转角检 测元件，结构简单， 工作可靠，且其精度 能满足一般的检测要 求，被广泛应用在各 类数控机床上。诸如 各类机床、镗床、回 转工作台、加工中心 、转台等。
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图4.2 应用旋转变压器数控机床
近来旋转变压器的发 展主要是解决满足数字化 的要求，应用数字转换器 件对旋转变压器输出互为 正余弦关系的模拟信号进 行采样,将其转换成数字信 号,以便于各种CPU进行处 理，目前多用单片机控制 图4.3 旋转变压器数字类转换模块 意在完成旋转变压器的数 字化角度和长度测量显示 ，并达到比较高的精度水 平。
第四章 旋转变压器
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本章教学目标与要求
• ·了解旋转变压器的发展历史 • ·掌握旋转变压器的基本构成及分类 • ·掌握正余弦的旋转变压器的工作原理及
补偿方法 • ·掌握线性旋转变压器的工作原理 • ·掌握旋转变压器的使用方式 • ·了解旋转变压器的应用
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本章知识架构
旋转变压器
正余弦的旋转变压器 旋 转 变 压 器
线性旋转变压器
旋转变压器的使用
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旋转变压器的应用
典型结构特点 分类及用途
空载工作原理 负载工作原理
补偿方法
结构 工作原理 工作方式 选用 误差
二次侧补偿 一次侧补偿
旋转变压器(Rotational transformer或resolver)是 一种电磁式传感器，是一 种精 密 的测位用的机电元 件,又称同步分解器。它的 输出电信号与转子转角成 某种函数关系，它也是一 种测量角度用的小型交流 电动机，属自动控制系统 中的精密感应式微电机的 一种，主要用来测量旋转 物体的转轴角位移和角速
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图4.19 负载时旋转变压器等值电路
引起输出电压畸变的主要原因是副边电流所产生的交轴磁场分量，产生的磁
通完全是漏磁通，由这个漏磁通产生的漏抗压降使输出绕组的输出电压与空 载电动势之间出现较大的畸变。显然，对应的交轴磁通必定和其成正比，即
q Fcq
（4-14）
φq和输出绕组Z3 – Z4的夹角为α，若设匝链输出绕组 Z3 – Z4的磁通 q 3 4 为
时的磁通密度空间向量， Fc 可以分解为直轴方向(和激磁绕组轴线方
向一致)的直轴磁通势FCd（直轴分量）和横轴方向（和轴线正交）的
横轴磁通势Fcq （交轴分量）其表达式为
F C d F c c o s I c W c c o s
（4-12）
F c q F cs i n I r W cs i n
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图4.7 正余弦旋转变压器的结构图
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旋转变压器定子绕组和转子 绕组都安装两套在空间互差90° 电角度，结构上完全相同的对 称分布绕组。定子绕组有两个 ，一般是相同的，即导线截面 和接线方式以及绕组匝数都相 同。分别叫定子励磁绕组(其引 线端为D1-D2)和定子交轴绕组 又叫(补偿绕组其引线端为D3D4)。 如 图带有圆圈的表示转子 ，转子上两套绕组与定子一样 匝数相等分别用Z1 - Z2 和 Z3 Z4叫正弦输出绕组和余弦输出
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旋转变压器和普通变压器在工作原理 上是完全一样的。它们都利用一次侧线圈 和二次侧线圈之间的互感进行工作的，所 不同的是在普通变压器中总是使一、二次 侧线圈的互感为最大且保持不变。与此相 反，在旋转变压器中正是利用转子相对定 子的转角的不同以改变一、二次侧线圈之 间的互感来达到输出电动势和转角成正余 弦函数关系，从而得到We 绕组的输出电 动势为
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图4.15 正余弦旋转变压器空载的工作原理
与自整角机中所发生的情况一样，脉振磁场BD将在转子的输出绕组Z1- Z2 和 Z3–Z4中感应变压器电势，这些电势在时间上是同相位的，其有效值和该绕 组的位置有关。
若转子绕组，我们为了分析问题的方便，用匝数为Wr 的等效集中绕组来 代替和同样励磁绕组Wf为等效集中绕组。当Wc绕组在直轴位置，即Wc 绕组 轴线与励磁绕组 的轴线相重合即时，如同一台普通的双绕组变压器一样，可 得到定子和转子感应电动势为
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4.2 正余弦旋转变压器
旋转变压器是由定子 、转子两大部分组成的。 每一大部分又有自己的电磁部分和机械部分, 总体说
它和两相绕线式异步电机的结构更为相似。
4.2.1 正余弦旋转变压器的结构
旋转变压器大多设计成两极隐极式的定、转子 的结构和定转子对称两套绕组。电磁部分仍然由可 导电的绕组和能导磁的铁心组成，旋转变压器的定 、转子铁心是采用导磁性能良好的硅钢片薄板冲成 的槽状心片叠装而成。为提高精度，通常采用铁镍 软磁合金或高硅电工钢等高磁导率材料，并采用频 率为400Hz的励磁电源。在定子铁心的内周和转子 铁心外圆周上都冲有一定数量的规格均匀的槽，里 面分别放置两套空间轴线互相垂直的绕组，以便在 运行时可以得到原边或副边补偿。
图4.16 正弦输出绕组接上负载
图4.17 正弦绕组输出电压与转角的关系曲线 l一空载时， 2一负载时
曲线1 和2 分别表示旋转变压器在空载和负载时的输出特性，旋转变
压器的负载越大(1s 越大)。输出特性的畸变也越严重。这种畸变是必
须加以消除的，为此应分析畸变的原因，寻找消除畸变的措施。
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绕组，有的时候也可在转子绕
组上励磁，而从定子绕组上输 出电压。
图4.8 旋转变压器定、转子绕组
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在结构上，旋转变压器 定子和转子基本和自整角电 机一样，其组件图见图4.9 ，定子绕组通过固定在壳体 上的接线柱直接引出。定子 绕组端点直接引至接线板上 ，而转子绕组的端点要通过 电刷和滑环才能引出，注意 定子和转子之间的空气隙是 均匀的。气隙磁场一般为两 极，定子铁心外圆是和机壳 内圆过盈配合, 机壳、 端盖 等部件起支撑作用, 是旋转 电机的机械部分。
q34 qcos
（4-15）
若 B Z 表示绕组磁密代入上式，则
q34 BZcos2
（4-16）
最大值为 有效值
q
的磁通在Z3 -Z4 统组中所产生的感应电势也是个变压器电势，其
34
q 3 44 .4 4fW c q 3 4 zco s2
（4-17）
可见旋转变压器正弦输出绕组Z3 - Z4 接上负载以后，除了仍存在 EcKeUf cos 的电势以外，还附加了正比于BZ cos2 的电势E q 3 4 。显然后者的出现破坏了输出 电压随转角作正弦函数变化的关系，造成输出特性的畸变。由式 (4-17) 还可
如图4.15 (a) 所示绕组 (Z3 - Z4) 所匝链的磁通的
幅值为
C mcos
根据变压器原理可得转子绕组的电动势为
E C4 .4 4f m W Cc o s
E C 4 . 4 4 W C f C 4 . 4 4 W C f m c o s
磁通势沿气隙按余弦分布保证了穿过转子绕组 Wc 的磁通矶和转子转角α 成余弦的函数关系，从 而保证了Wc 绕组中感应电动势和转予的转角α 成 余弦函数关系。
但旋转变压器又区别于普通变压器，其区别 在于转、定子间有气隙，转子可以转动，旋转变 压器的二次侧线圈(输出线圈)可随转子的转动而 改变其与定子线圈的相对位置。
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一、二次侧线圈间的互感发生变化，由图4.11知，定子励磁绕组D1-D2的轴 线在α=0 处，转子绕组Z3 - Z4的轴线与励磁绕组轴线夹角为α 角。
1一转子
绕组I
2一定子
绕组I
图 4.11 正余弦旋转变压器原理示意图
图4.12 旋转变压器磁通分布情况
定子的励磁绕组接上交流电压，设某瞬间线圈中电流I 的方向和产生气隙磁 通方向如图4.12所示。
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两极正余弦旋转变压器其输出电压与转角成正、余弦关系，它的 电气工作原理图如图4.13所示，旋转变压器不带负载时。Z1 - Z2、 Z3 - Z4开路，负载时Z1 - Z2 和Z3 - Z4均可带负载阻抗形成闭合回路 。空载时除D1-D2 绕组中流有励磁电流If 外其余绕组中均无电流，如 图4.13(a) 、(b) 所示，该图为了说明工作原理分别画出余弦输出绕组 Z3 - Z4的绕组轴线与励磁绕组轴线夹角为∝角如图4.13 (a) 所示，正 弦输出绕组Z1 - Z2 的绕组轴线与励磁绕组轴线的夹角为，如图4.13
E c E rc o s K e E fc o s K e U fc o s （4-10）
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2、负载运行时的情况
在实际使用中，旋转变压器要接上一定的负载。实验表明，如图 4.16所示的旋转变压器，一旦其正弦输出绕组Z1– Z2，带上负载以后 ，其输出电压不再是转角的正弦函数，正弦输出绕组接上负载实验结 果证明，带负载以后的旋转变压器，其输出电压不再是转角的正弦或 余弦函数，而是有一定的偏差，这种现象称为输出特性发生畸变，如 图4.17 所示，
若按电机极对数的多少来分, 可将旋转变压器分为单极对和多极 对两种。 采用多极对是为了提高系 统的精度。
若按有无电刷与滑环间的滑动 接触来分类, 旋转变压器可分为接 触式和无接触式两大类。其中旋转 变压器无接触式，无电刷和滑环的 滑动接触 运行可靠，抗振动，适应 恶劣环境。
图4.4 旋转变压器接触式 图4.5 旋转变压器无接触式
(b)
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图4.13 正余弦旋转变压器原理 （a）余弦绕组 (b) 正弦绕组
正弦绕组元件匝数与磁动势分布见图4.14。
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图4.14 正弦绕组元件匝数与磁动势分布
1、空载运行时的情况
即转子输出绕组Z1 - Z2 和Z3 – Z4和定子交轴绕组Ð3-D4开路, 仅将定子 励磁绕组D1-D2加交流励磁电压U1。此时气隙中将产生一个脉振磁密BD, 脉 振磁场的轴线在定子励磁绕组的励磁轴线D1-D2上。据自整角机的电磁理论, 磁场将在副边即转子的两个输出绕组中感应出变压器电势。