磁阻式旋转变压器设计①

关丽雅， 孙 明， 左 强

(北京青云航空仪表有限公司，北京 101300)

0 引 言

旋转变压器作为直流无刷电机的转子位置传感器，因其具有使用成熟、可靠性好、耐高温、振动、冲击、环境适应性好等优点，在工业领域及航空航天领域获得广泛应用[1]～[5]。

磁阻式旋转变压器转子上无线圈，不需要环形变压器，因而具有体积小、结构简单及易于加工等优点，针对机电产品对直流无刷电机的需求，设计了一款3对极磁阻式旋转变压器，用于直流无刷电机的位置传感器。借助于有限元分析软件仿真了主要结构参数对输出特性的影响，完成优化设计，确定了旋转变压器的参数，制作了样机，并进行了测试，样机性能满足设计要求。目前该磁阻式旋转变压器已批量生产，作为转子位置传感器应用于多个型号无刷电机产品中，并通过了各项试验验证，满足系统要求。该磁阻式旋转变压器的研制成功可降低产品成本，保证产品的按期交付，为同类产品的研制提供参考和依据。

1. 工作原理和结构组成

1.1 基本参数

激磁电压10V，10kHz；

工作温度范围-55°C-70°C；

极对数：3对极；

变压比：0.5；

1.2 工作原理

磁阻式旋转变压器为正余弦旋转变压器，是一种可旋转的变压器，其原、副边线圈均在定子上。转子设计为凸极结构，凸极数即为旋变的极对数，磁阻式旋变最小为2极对数。两相输出线圈与激磁线圈互感，并且随转子的位置变化，从而在输出线圈中耦合出与转子位置有关的正余弦电动势。即输出线圈与激磁线圈的耦合程度由转子的转角决定，输出电压的幅值与转子转角呈正余弦函数关系。图1为磁阻式旋转变压器的原理示意图[6]。

图1 磁阻式旋转变压器原理示意图

输出电压的幅值用数学表达式可以表示为：

ES1-S3=ER1-R2Ksinωtsinθ

ES2-S4=ER1-R2Kcosωtcosθ

式中，ER1-R2为励磁线圈电压；ES1-S3为正弦相输出线圈电压；ES2-S4为余弦相输出线圈电压；K为比例系数即变压比, ω为激磁电压频率，θ为转子角度[7-8]。

1.3 主要结构

磁阻式旋变结构主要由定子、转子及端盖等组成，磁阻式旋变的结构设计主要包括定子和转子的设计，转子极对数为3，因此转子的凸极数为3，定子为12槽结构，图2所示为磁阻式旋变二维结构图，转子与定子之间气隙其0.3mm；定子采用斜槽结构，斜槽数为0.5，定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成。旋变线圈由激磁线圈和输出线圈组成，激磁线圈为一相集中绕组，输出线圈由正弦和余弦两相构成，两相输出线圈电气角度相差90°。

图2 磁阻式旋变二维结构图

2 建模与仿真分析

2.1 几何模型建立

根据初步确定的旋变结构参数，在仿真软件中建立模型如图3所示。

图3 旋变二维结构图

2.2 划分网格

网格剖分时轭部和定子、转子铁芯较疏，气隙和齿部较密，剖分后的网格见图4。本文采用最大剖分单元长度为0.5mm[9]。

图4 网格剖分图

2.3 运动及求解选项设定

瞬态分析时需要设定运动选项，在模型窗口选中运动面域进行运动类型、数据信息及机械信息等参数的设置，模型中的运动面域是包含转子的面。

求解设置为终止时间为0.1s，求解步长为0.01ms，场信息保存时间为0.2s。转子旋转速度为3000rpm/min。

设置完成后进行自检，自检后进行求解和后处理。

2.4 结果及分析

图5的磁力线分布图，图6为磁密云图，可以看出，磁力线分布较均匀，磁密为饱和，磁路设计合理。

图5 电机磁力线分布图

图6 磁密云图

3 旋变的设计

3.1 导磁材料的选取

旋变主要材料包括转子铁芯材料和定子铁芯材料，作为导磁体，材料选用软磁材料。软磁材料是指矫顽磁力、磁导率高以及磁滞回线面积窄等特点。同时为了减少能量损耗，还要求软磁材料磁阻小，由于旋转变压器工作磁场较弱，因此，饱和磁通密度不要求太高。但激磁频率高，因此，要求电阻率大，磁性能稳定，还要求机加工性能好。

软磁材料的种类包括金属、铁氧体、非晶态和超微晶软磁材料四大类。表1为常用软磁材料[9]。可以看出硅钢片综合性能较好，并且硅钢片价格较低。因此，定子铁芯材料选用硅钢。

表1 常用软磁材料

3.2 定子冲片设计

由于激磁频率高，旋转变压器工作磁场交变频率高，易造成定子和转子铁芯铁损高，因此定子冲片厚度的选取，应以减低定子铁芯的损耗为目标，选取薄片有利于降低铁损，但为了降低加工和装配难度，冲片不宜太薄，而且过薄的冲片会导致叠压系数小，影响铁芯的磁性能。因此，综合考虑选用0.2mm厚度。

3.3 线圈设计

在磁阻式旋转变压器的定转子和线圈进行初步设计后，为了提高磁阻式旋转变压器的精度，需要对旋变线圈进行优化设计。

旋变的12个激磁线圈匝数相同，采用串联连接，相邻线圈绕向相反，激磁磁场 N，S 交替排列。正余弦式输出线圈匝数呈现正余弦规律变化，所以对于正余弦线圈结构的旋变，每个齿上绕制3套线圈。图7和图8为正余弦输出线圈匝数分布示意图，图9为旋变输入输出电压波形图，可以看出正弦输出电压包络线为正弦波形，余弦输出电压包络线为余弦波形，输出输入电压比约0.5。

图7 正弦输出线圈匝数示意图

图8 余弦输出线圈匝数示意图

图9 旋变输出电压波形图

4 样机试制

依据优化设计结果得出旋变参数，制作出样机如图10所示，与配套直流无刷电机进行了联试。旋转变压器正弦输出的零位与电机A相反电势过零点的相位差为0°。图11为旋变正余弦两相输出与电机反电势的波形图，实测输入输出电压比约0.5，与仿真波形图和变压比相近，证明仿真结果可靠。

图10 样机实物图

图11 旋变输出与电机反电势的波形

对直流无刷电机施加28V直流电压,由控制器控制电机额定转速，用力矩加载台即测功机为电机施加额定转矩，进行电机的性能测试，结果显示电机转速平稳，波动较小。证明作为旋转变压器作为电机位置传感器精度满足系统要求。说明设计方案合理，仿真分析可靠。

5 结 论

(1)针对机电产品号用电机转子位置传感器的需求，设计了3对极磁阻旋转变压器。依据设计结果研制了样机，并进行了测试，输出为正余弦包络线信号，作为无刷直流电机的转子位置传感器，满足要求。

(2)运用有限元软件建立旋变有限元仿真模型，进行了仿真研究，并通过改变参数对旋变进行了优化设计。试验结果验证了设计的可行性，为今后的旋变设计提供了依据和基础。