5旋转变压器的结构及原理.docx

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5旋转变压器的结构及原理

第一大题：

旋转变压器结构

旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。

定子和转子的铁心由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状心片叠成。

它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁心内。

定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。

转子绕组有两种不同的引出方式。

根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。

图1是有刷式旋转变压器。

它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。

图1有刷式旋转变压器

图2是无刷式旋转变压器。

它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。

附加变压器的原、副边铁心及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。

旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。

这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。

图2无刷式旋转变压器

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。

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。

3）多极旋转变压器

图3多极旋转变压器的结构示意图。

图3a）、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。

第二大题：

为什么旋转与感应要通过两组电压才能测出位移与方向

旋转变压器

旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：

鉴相方式和鉴幅方式。

1.鉴相工作方式在旋转变压器定子的两相正交绕组（正弦用s和和余弦用c表示），一般称为正弦绕组和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压Us=UmsinωtUc=Umcosωt两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。

根据线性叠加原理，在转子绕组中感应电压为

U=kUssinθ机+kUccosθ机=kUmcos（ωt-θ机）

其中k为变压比，由式4-10可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ机。

因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。

2.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压

Us=Umsinθ电sinωtUc=Umcosθ电sinωt

则在转子绕组上得到感应电压为

U=kUssinθ机+kUccosθ机=kUmsinωt（sinθ电sinθ机+cosθ电Uccosθ机）=kUmcos（θ电-θ机）sinωt

在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角θ电，使之跟踪θ机的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ机。

旋转变压器的工作原理

⒈ 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。

 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。

⒉ 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：

（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：

（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;αF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θF—发送机转子的转角。

感应同步器

1.鉴幅工作方式

在滑尺（或定子）的正、余弦绕组上施加频率、相位均相同,但幅值按某角度作正、余弦变化的电压ea、eb:

式中,θ1称为指令位移角。

假定滑尺余弦绕组相对定尺绕组位移x,其对应的电角度θ=（180°/τ）·x

旋转式的定子余弦绕组相对转子绕组位移电角度θ.

根据式（6-4）

余弦绕组所产生的磁通在定尺（或转子）绕组中感应的电势为kuebcosθ。

正弦绕组所产生的磁通在定尺（或转子）绕组中感应的电势为-kueasinθ。

定尺绕组中的总的感应电势为

可见感应同步器输出电势的幅值正比于指令位移角和滑尺（或定子）位移角的差角θ1-θ的正弦函数。

如果将感应同步器的输出经放大后控制电机转动,那么,只有当θ=θ1或x=θ1τ/180°,感应同步器的输出电压为0时,电机才停止转动。

这样一来,工作台就能严格按照指令转动或移动。

由于这种系统是用鉴别感应同步器输出电压幅值是否为0来进行控制的,所以称为鉴幅工作方式或鉴零工作方式。

2.鉴相工作方式

在正余弦绕组上施加幅值、频率相同,但相位差为90°的电压ea、eb:

则定尺（或转子）绕组的总的感应电势为

对于直线感应同步器,式中,θ为对应滑尺位移x的电角度,即θ=（180°/τ）·x。

对于旋式感应同步器,θ为转子的位移角（电角度）。

由式可以看出,感应同步器把滑尺的直线位移或转轴的转角变换成输出电压的时间相位移。

只要通过一定的电路鉴别出输出电压时间相位移,就可以知道滑尺的位移距离或转轴转过的角度。

因此这种情况下的感应同步器是处于鉴相工作方式。

第三大题：

各种位置检测装置

（1）旋转变压器

高性能变磁阻式（vr）旋转变压器

正余弦旋转变压器

（2）感应同步器

维能达绝对式圆感应同步器

感应同步器.测角仪

（3）脉冲编码器

机床编码器脉冲信-电子手轮（面板型）

（4）光栅传感器

光纤光栅传感器

光纤光栅压力传感器

光纤布拉格光栅传感器

（5）速度传感器

ABG423新式行走速度传感器

GSC200智能型速度传感

速度传感器FGA30

角速度传感器ADXRS150ABG

压电射流角速度传感器

（6）位置传感器

磁电位置传感器

位置传感器-德国P+F磁式传感器

曲轴位置传感器

凸轮轴位置传感器