新能源汽车电机旋转变压器结构、原理及检测

基金项目：哈尔滨职业技术学院第三批课程思政示范课程建设项目“新能源汽车电机及控制系统检修”；哈尔滨职业技术学院“新能源汽车电机及控制系统检修”课程思政教学改革项目

摘要：旋转变压器是新能源汽车驱动电机上的重要传感器。从普通变压器到旋转变压器、正余弦旋转变压器再到磁阻式旋转变压器，由浅入深探讨了新能源汽车电机磁阻式旋转变压器的演变过程，重点介绍其结构与工作原理，并以吉利EV450为例介绍其检测方法，以达到触类旁通的目的。

关键词：新能源汽车；旋转变压器；正余弦旋转变压器；磁阻式旋转变压器

中图分类号：U472.9  收稿日期：2024-04-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405034

1 前言

电动汽车上的驱动电机现在多为永磁同步电动机，这其中位置传感器的作用重大。位置传感器主要包括电磁式（旋转变压器）、光电式（光电编码器）、磁敏式（霍尔位置传感器）。旋转变压器是一种常用的伺服电机旋转编码器，与光电编码器相比，旋变抗振性能好，可以安装于恶劣的使用环境中，精度比光电编码器差一些[1]。在新能源汽车上，旋转变压器的作用就是精准测量电机转子的位置（转角）、转速及转向，将这些信号传输给电机控制器，由软件的控制算法来控制电机。如果旋变信号不正常将导致驱动电机无法正常工作。在检测电机旋转变压器故障之前，需要了解其结构组成与工作原理。

2 旋转变压器概述

21 旋转变压器的结构

旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数[2]，如图1所示。而旋转变压器的一次绕组与二次绕组不是固定安装而是有相对运动的，如图2所示。

22 旋转变压器的工作原理

将变压器的一次铁芯和二次铁芯分开，让一次绕组接单相正弦交流电源，且随铁芯按逆时针旋转，二次绕组固定，如图3所示。随着两者相对角度的变化，在二次侧就会输出频率相等、幅值变化的电压波形，如表1所示[3]。一次绕组相对于二次绕组的旋转角度将会决定二次绕组的电压输出（波形），反过来，通过检测二次绕组的电压曲线，就可以反推计算出一次绕组的旋转角度，这就是旋转变压器的基本工作原理[3]。

23 正余弦旋转变压器

从上文看出，在一次绕组旋转的一周（360°）内，每个电压输出波形都会对应到两个角度位置并且它们的和总是360°，解决这个位置关系不唯一的问题，方法就是同时使用两个相互垂直的二次绕组，如图4所示。两者的输出电压之间就会存在一个90°的相位差，一个输出波形外包络线为正弦（sin）曲线，另一个输出波形外包络线为余弦（cos）曲线，如图5[4]所示。借助这两条电压曲线的组合反推出的一次绕组的旋转位置就是唯一的[3]。这种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，是旋转变压器最基本的形式。一次绕组也称为励磁绕组，两个二次绕组分别称为正弦绕组和余弦绕组。

24 旋转变压器的类型

旋转变压器是一种重要的传感器，广泛应用于多个领域，其类型主要有：a.按照输出绕组的电压幅值与转子转角的函数关系分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器[1]。b.按照极对数的多少可以分为单对极旋变和多对极旋变。c.按照有无电刷和滑环可分为接触式旋变和无接触式旋变两种。d.按照转子上有无绕组可以分为无刷旋转变压器（用环形耦合变压器取代电刷和滑环）和磁阻式旋转变压器[5]，如图6、图7所示。e按照装配方式不同可以分为分装式和组装式。

3 磁阻式旋转变压器的结构组成与工作原理

31 结构组成

磁阻式旋转变压器可以看成是一种输出电压与转子转角保持一定函数关系的感应式微电机[6]，由定子和转子构成，如图8所示。

a.定子。磁阻式旋转变压器的一次与二次绕组都装在定子铁芯内圆面不同的凸极（励磁线圈通电后成为磁极）上，且均固定不动。一次绕组（励磁绕组、输入绕组）通入正弦励磁电流，而两相二次绕组（信号绕组、输出绕组）相互垂直产生输出信号。旋变定子由铁镍软磁合金或冲有槽孔的硅钢片叠成。旋转变压器的定子与转子的磁极数是不相同的，定子磁极数比转子的多[2]。定子安装在电机壳体上。定子铁芯凸极上的一次绕组逐极反向串接，两相二次绕组以两个磁极为间隔反向串接[2]。

b.转子。磁阻式旋转变压器的转子上不安置绕组，仅由铁芯组成，材料与定子铁芯相同。转子铁芯外圆面有凸极。转子凸极形状需作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形，同时还必须满足所要求的极数[7]。一般转子采取两对极（2X）及以上的多极形状。可以看出，转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状[7]。磁阻式旋转变压器一般都做成分装式，不组合在一起。转子安装在电机的转轴上，与电机同步旋转。

32 工作原理

工作时一次绕组接通频率为10 kHz以下的正弦交流电源作为励磁信号。当转子相对定子旋转时，定子、转子之间的气隙和磁阻不断发生变化，每转过一个转子凸极，气隙和磁阻变化一个周期，当转子转过一周时，则气隙和磁阻变化的周期数等于转子凸极数[2]。转子的凸极数就相当于磁阻式多極旋转变压器的极对数[5]。有资料表明，旋转变压器极对数与被测电机的极对数保持一致[8]。气隙和磁阻的变化导致一次和二次绕组之间互感的变化，二次绕组感应的电势也随之发生变化[2]。通过磁阻变化原理，两相二次绕组上分别感应出随转角按正弦变化、彼此相差90°的电角度、频率不变、幅值外包络线呈正弦和余弦的电压信号。电机控制器解码芯片根据正弦及余弦规律变化来判断转子的转角（瞬间位置）、转速以及转向。

4 新能源汽车电机旋转变压器的检测

下面以吉利EV450为例，介绍新能源汽车电机旋转变压器的检测方法。

41 吉利EV450旋转变压器工作电路

吉利EV450电动汽车旋转变压器与电机控制器PEU之间通过6根低压线束连接，电路原理如图9所示。PEU通过励磁绕组+、-两根线向旋转变压器励磁绕组输出励磁信号，分别通过正弦绕组+、-两根线和余弦绕组+、-两根线接收旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号[9]。

42 吉利EV450旋变传感器检测

a.正弦、余弦、励磁绕组电阻的检测。用万用表电阻挡，如表2所示方法[10]测量绕组电阻。

b.旋变传感器信号线路的检测。以余弦信号线路检测为例。首先断电，操作启动开关使电源模式至OFF状态，断开车载充电机直流母线。①操作启动开关使电源模式至ON状态。用万用表电压档12 V量程，检测旋变传感器余弦绕组与车身接地之间的电压，应为0 V。②断开驱动电机线束连接器BV13，断开电机控制器线束-1连接器BV11。用万用表电阻档200 Ω量程，检测导线是否有断路、短路；用万用表电阻档20 kΩ量程，检测余弦绕组与车身接地之间的绝缘情况。测量方法如表3所示。将测量值与标准值对比确认测量值是否符合标准，如果不符合标准，修理或更换线束。其它信号线路的检测方法相同。

除了绕组阻值、信号线路检测，还可以用示波器对励磁信号、正余弦输出信号电压波形进行检测来判断传感器好坏。

5 结语

在新能源汽车上，电机控制器通过旋转变压器采集电机信息并进行解码，VCU再结合加速踏板、制动踏板及驾驶员控制意图等信号对电机输出进行精准控制。电机控制器旋变模块能控制励磁绕组电流的通断，即产生励磁信号。从正弦绕组和余弦绕组返回的信号互相偏移，通过模数转换处理器转变为数字信号。控制模块通过同时参照旋转变压器正弦和余弦绕组的感应电压输出，判定任何时刻转子位置；通过不断地比较正弦和余弦绕组的感应电压幅值大小及相位变化，判定转子转动的方向；同时通过计算感应电压波形的变化周期，即可准确判断出转子的转速[1]。

旋转变压器形式多样，新能源汽车电机旋转变压器是由变压器的演变而来的一种特殊结构，它属于正余弦型、多对极、分装、磁阻式的旋转变压器。旋转变压器是新能源汽车驱动电机上不可或缺的重要传感器，如果旋变信号失效或丢失，车辆将无法行驶。不同车型旋变传感器检测方法相同，只是不同车型传感器定子绕组标准阻值不同。旋转变压器在新能源汽车中发挥着关键作用，应用前景广阔。

参考文献：

[1]吕冬明，杨运来新能源汽车电机及控制系统检修[M]北京：机械工业出版社，2018

[2]汪贵行，汪学慧驱动电机旋转变压器的工作详解[J]汽车维修与保养，2019（2）：67-69

[3]Resolver是怎么工作的[EB/OL]（2017-07-28）https：//www.sohu.com/a/160482635＿65037.

[4]Jakub S， Shane O M， Johnny G，et al.Resolver-to-digital converter measures angular position and velocity[J]Analog Dialogue Magazines，2014，48：113-121

[5]禹衡光學：旋转变压器的不同分类[EB/OL]国际工业自动化网，2021-12-31

[6]华奇现代电动汽车旋变传感器原理及检测[J]汽车实用技术，2021，46（24）：10-14

[7]张世超旋转变压器快速参数测试仪的设计与实现[D]西安：西安电子科技大学，2015

[8]位置传感器的应用原理二（旋转编码器、旋转变压器）[Z]西莫电机论坛，2019（10）：19-21

[9]弋国鹏，魏建平电动汽车控制系统及检修[M]北京：机械工业出版社，2020

[10]吉利帝豪EV维修手册[Z]

作者简介：

方敏，女，1977年生，讲师，研究方向为新能源汽车电机、汽车发动机电控、汽车电气。