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1、第3章 旋转变压器,3.1 旋转变压器的类型和用途 3.2 旋转变压器的结构特点 3.3 正余弦旋转变压器的工作原理 3.4 线性旋转变压器 3.5 旋转变压器的典型应用,3.1 旋转变压器的类型和用途,旋转变压器可以单机运行,也可以像自整角机那样成对或三机组合使用。旋转变压器的输出电压与转子转角呈一定的函数关系,它又是一种精密测位用的机电元件,在伺服系统、数据传输系统和随动系统中也得到了广泛的应用。,从电机原理来看,旋转变压器是一种能旋转的变压器。这种变压器的原、副边绕组分别装在定、转子上。原、副边绕组之间的电磁耦合程度由转子的转角决定,故转子绕组的输出电压大小及相位必然与转子的转角有关。按
2、旋转变压器的输出电压和转子转角间的函数关系,旋转变压器可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器以及比例式旋转变压器。其中,正余弦旋转变压器的输出电压与转子转角成正余弦函数关系;线性旋转变压器的输出电压与转子转角在一定转角范围内成正比;比例式旋转变压器在结构上增加了一个锁定转子位置的装置。,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。本章将以单极对、接触式旋转变压器为研究对象阐明旋转变压器的工作原理、典型结构和误差补偿等。,磁极是成对出现的，所以电机有2、4、6、8极之
3、分。对于交流电机，根据 n=60f/p，因此电机极对数越多，转速越低，转矩越大；电机极对数越少，转矩越小，转速越高。例如，一般汽轮发电机多为隐极式电机，极对数很少，一般为1、2对，所以转速很高，最高可达3000转（工频）；而水轮发电机的极数相当多，转子结构为凸极式，工艺比较复杂，由于极数很多，所以转速很低，可能只有每秒几转！,3.2 旋转变压器的结构特点,旋转变压器的典型结构与一般绕线式异步电动机相似。它由定子和转子两大部分组成,每一大部分又有自己的电磁部分和机械部分,如图 3-1所示,下面以正余弦旋转变压器的典型结构分析之。,图 3 1 旋转变压器结构示意图,定子的电磁部分仍然由可导电的绕组
4、和能导磁的铁心组成。定子绕组有两个,分别叫定子励磁绕组(其引线端为D1、D2)和定子交轴绕组(其引线端为D3、D4)。两个绕组结构上完全相同,它们都布置在定子槽中,而且两绕组的轴线在空间互成90。转子两个绕组的输出电压分别与转子的转角呈正弦和余弦函关系。如图 3-2 所示。,图 3-2 正余弦旋转变压器原理示意图,定子交轴绕组,定子励磁绕组,转子正、余弦绕组,3.3 正余弦旋转变压器的工作原理,3.3.1 空载运行时的情况 如图 3-2 中,设该旋转变压器空载,即转子输出绕组和定子交轴绕组开路,仅将定子绕组D1-D2加交流励磁电压，那么气隙中将产生一个脉振磁密,其轴线在定子励磁绕组的轴线上。磁
5、密 将在副边即转子的两个输出绕组中感应出变压器电势。,脉振磁场（pulsating magnetic field）是一种空间位置固定而幅值在正负最大值之间变化的磁场。若电机定子上只有一个绕组，则通以交流电时，便产生两极脉振磁场。电流的大小和方向变化时，磁场的大小和极性会跟着变化，但磁场在空间的位置却始终不变。旋转磁场-通常三相交流电机的定子都有对称的三相绕组，任意一相绕组通以交流电流时产生的是脉振磁场，但若以平衡三相电流通入三相对称绕组，就会产生一个在空间旋转的磁场。,这些变压器电势在时间上同相位,而有效值与对应绕组的位置有关。设图中余弦输出绕组Z1-Z2轴线与脉振磁密 轴线的夹角为,可以写出
6、这里的励磁磁通 在正、余弦输出绕组中分别感应的电势。ER1=ERcos 在Z1-Z2中 ER2=ER cos(+90)=ERsin 在Z3-Z4中 式中,ER为转子输出绕组轴线与定子励磁绕组轴线重合时,磁通D在输出绕组中感应的电势。,若假设D在励磁绕组D1-D2中感应的电势为ED,则旋转变压器的变比为,式中,NR表示输出绕组的有效匝数;ND表示励磁绕组的有效匝数。,则 ER1=kuED cos ER2=kuED sin,与变压器类似,可忽略定子励磁绕组的电阻和漏电抗,则ED=Us1,空载时转子输出绕组电势等于电压,于是式又可写成 UR1=kuUs1cos UR2=kuUs1sin,3.3.2
7、负载运行后输出特性的畸变 旋转变压器在运行时总要接上一定的负载,如图3-3中Z3、Z4输出绕组接入负载阻抗ZL。由实验得出,旋转变压器的输出电压随转角的变化已偏离正弦关系,空载和负载时输出特性曲线的对比如图3-4所示。如果负载电流越大,两曲线的差别也越大。这种输出特性偏离理论上的正余弦规律的现象被称为输出特性的畸变。但是,这种畸变必须加以消除,以减少系统误差和提高精确度。,图 3-3 正弦输出绕组接负载ZL,图 3-4 输出特性的畸变,交轴分量磁通密度BRq（交轴磁动势分量）的作用是引起旋转变压器输出电压畸变的主要原因（直轴分量如何？）。显然,由于BRq=BR cos,故它所对应的交轴磁通q必
8、定和BR cos成正比:qBR cos,由图 3-3可以看出,q与Z3-Z4输出绕组轴线的夹角为,设q匝链对于Z3-Z4输出绕组的磁通分量为q34,则 q34=q cos 则 q34BR cos 2 磁通q34在Z3-Z4绕组中感应电势仍属变压器电势,其有效值为:Eq34=4.44fNRq34 BR cos 2,由上式知,旋转变压器Z3-Z4绕组接上负载后,除了电压（感应电动势）UR2=kuUs1sin以外,还附加了正比于BR cos2的电势Eq34。这个电势的出现破坏了输出电压随转角作正弦函数变化的规律,即造成输出特性的畸变。而且在一定转角下,Eq34正比于BR,而BR又正比于Z3-Z4绕组
9、中的电流IR2,即IR2愈大,Eq34也愈大,输出特性曲线畸变也愈严重。,3.3.3 副边补偿的正余弦旋转变压器 副边补偿的正余弦旋转变压器实质上就是副边对称的正余弦旋转变压器,其电气接线图如图3-5所示。其励磁绕组D1-D2加交流励磁电压,D3-D4绕组开路;转子Z1-Z2输出绕组接阻抗Z,应使阻抗Z等于负载阻抗ZL,方能使q12=q34(即FR1q=FR2q，效果表现为相互抵消),以便得到全面补偿。,图 3-5 副边补偿的正余弦旋转变压器,证明 设K为常数,通过Z1-Z2绕组的电流为,产生的磁势为;通过Z3-Z4绕组的电流为,产生磁势为,则 FR1=KIR1 FR2=KIR2,由图 3-5
10、知,交轴磁势为 FR1q=FR1sin=KIR1sin FR2q=FR2cos=KIR2cos,由图 3-5 的电路关系得,得以下两式:,比较以上两式,如果要求全补偿即FR1q=FR2q 时,则只有Z=ZL。以上两式的正负号也恰恰说明了不论转角是多少,只要保持Z=ZL,就可以使要补偿的交轴磁势FR2q(对应于q34)和另一绕组产生的磁势FR1q 大小相同,方向相反。从而消除了输出特性曲线的畸变。,3.3.4 原边补偿的正余弦旋转变压器 用原边补偿的方法也可以消除交轴磁通的影响。接线图如图 3-6所示,此时定子D1-D2励磁绕组接通交流电压,定子交轴绕组D3-D4端接阻抗Z;转子Z3-Z4正弦绕
11、组接负载ZL,并在其中输出正弦规律的信号电压;Z1-Z2绕组开路。,图 3-6 原边补偿的正余弦旋转变压器,从图 3-6 可以看出,定子交轴绕组对交轴磁通q34来说是具有阻尼作用的一个绕组。根据楞次定律,旋转变压器在工作时交轴磁通q34在绕组D3-D4中要感生电流,该电流所产生的磁通对交轴磁通q34有着强烈的去磁作用,从而达到了补偿的目的。同证明副边补偿的方法类似,可以证明,当定子交轴绕组外接阻抗Z等于励磁电源内阻抗Zn,即Z=Zn时,由转子电流所引起的输出特性畸变可以得到完全的补偿。因为一般电源内阻抗Zn值很小,所以实际应用中经常把交轴绕组直接短路,同样可以达到完全补偿的目的。,3.3.5
12、原、副边都补偿的正余弦旋转变压器 原边和副边都补偿时的正余弦旋转变压器如图3-7 所示,此时其四个绕组全部用上,转子两个绕组接有外接阻抗ZL和Z,允许ZL有所改变。和单独副边或单独原边补偿的两种方法比较,采用原、副边都补偿的方法,对消除输出特性畸变的效果更好。这是因为,单独副边补偿时，补偿所用阻抗Z的数值和旋转变压器所带的负载阻抗ZL的值必须相等。对于变动的负载阻抗来说,这样不能实现完全补偿。,而单独原边补偿时,交轴绕组短路,此时负载阻抗改变将不影响补偿程度,即与负载阻抗值的改变无关,所以原边补偿显得容易实现。但是同时采用原、副边补偿,对于减小误差、提高系统性能将是更有利的。,图 3-7 原、
13、副边同时补偿的正余弦旋转变压器,3.4 线性旋转变压器,线性旋转变压器是由正余弦旋转变压器改变连接线而得到的。如将正余弦旋转变压器的定子D1-D2绕组和转子Z1-Z2绕组串联,并作为励磁的原边。如图3-8所示（一次侧补偿的线性旋转变压器原理图）。定子交轴绕组D3-D4端短接作为原边补偿,转子输出绕组Z3-Z4端接负载阻抗ZL,如果将原边施加交流电压 后，转子Z3-Z4绕组所感应的电压UR2与转子转角有如下关系:,式中,当变比 ku取为0.560.59之间,则转子转角在60范围内,输出电压UR2 随转角的变化将呈良好的线性关系。如图 3-9 曲线所示。该式推导方法如下:,图 3-8 原边补偿的线
14、性旋转变压器,图 3-9,曲线,在图 3-8 中,由于采用了原边补偿(当然也可采用副边补偿),其交轴绕组被短接,即认为电源内阻抗Zn很小。交轴绕组的作用抵消了绝大部分的交轴磁通,可以近似认为该旋转变压器中只有直轴磁通D。D在定子D1-D2绕组中感应电势ED,则在转子Z3-Z4绕组中感应的电势为 ER2=kuED sin 在转子Z1-Z2绕组中感应的电势为:ER1=kuED cos,因为定子D1-D2绕组和转子Z1-Z2绕组串联,所以若忽略绕组的漏阻抗压降时,则有 Us1=ED+kuED cos 又因为转子输出绕组的电压有效值UR2在略去阻抗压降时就等于ER2,即 UR2=ER2=kuED si
15、n 故以上两式的比值为,根据此式,当电源电压Us1一定时,旋转变压器的输出电压UR2随转角变化曲线与图 3-9 曲线一致。从数学推导可知,当转角=60 范围内,而且变压比ku=0.56时,输出电压和转角之间的线性关系与理想直线相比较,误差远远小于0.1%,完全可以满足系统要求。,3.5 旋转变压器的典型应用,旋转变压器广泛应用于解算装置和高精度随动系统中及系统的装置电压调节和阻抗匹配等。在解算装置中主要用来求解矢量或进行坐标转换、求反三角函数、进行加减乘除及函数的运算等等;在随动系统中进行角度数据的传输或测量已知输入角的角度和或角度差;比例式旋转变压器则是匹配自控系统中的阻抗和调节电压。以下介
16、绍三种典型例子。,3.5.1 用旋转变压器求反三角函数 当旋转变压器作为解算元件时,其变比系数ku常设计为1。它和有关元件配合可以进行数学计算、坐标变换等。以下仅以求反三角函数为例来说明。即已知E1和E2值,如何求反余弦函数=arccos(E2/E1)的问题。,接线图如图 3-10所示。电压U1加在旋转变压器的转子绕组Z1-Z2端,略去转子绕组阻抗压降则电势E1=U1;定子绕组D1-D2端和电势E2串联后接至放大器,经放大器放大后加在伺服电动机的电枢绕组中,伺服电动机通过减速器与旋转变压器转轴之间机械耦合。,图 3-10,Z1-Z2 绕组和D1-D2绕组设计制造的匝数相同,即ku=1,所以Z1
17、-Z2绕组通过电流后所产生的励磁磁通在D1-D2绕组中感应电势为E1cos。放大器的输入端电势便为E1 cosE2。如果E1 cos=E2,此时伺服电动机将停止转动,则E2/E1=cos,因此转子转角=arccos(E2/E1),这正是我们所要求的结果。可见利用这种方法可以求取反余弦函数。,3.5.2 比例式旋转变压器 比例式旋转变压器的用途是用来匹配阻抗和调节电压的。若在旋转变压器的定子绕组D1-D2端施以励磁电压,转子绕组Z1-Z2从基准电压零位逆时针转过角,则转子绕组Z1-Z2端的输出电压为 UR1=kuUf1cos 此时,定子D3-D4绕组直接短路进行原边补偿,转子Z3-Z4 绕组开路
18、。将上式改写成:,上式中的转子转角在0360之间变化,也就是cos在+1.0-1.0范围内变动。因变比ku为常数,故比值UR1/Uf1将在ku的范围内变化。如果调节转子转角到某定值,则可得到唯一的比值UR1/Uf1。这就是比例式旋转变压器的工作原理,在自控系统中,若前级装置的输出电压与后级装置需要的输入电压不匹配,可以在其间放置一比例式旋转变压器。将前级装置的输出电压加在该旋转变压器的输入端,调整比例式旋转变压器的转子转角到适当值,即可得到输出后级装置所需要的输入信号电压。,3.5.3 由XF、XC、XB构成的角度数据传输系统 旋变发送机XF、旋变差动发送机XC及旋变变压器XB的结构和本身的原
19、理与正余弦旋转变压器完全相同。由XF、XC、XB构成的角度数据传输系统(如图 3-11 所示)与由ZKF、ZKC、ZKB组成的自整角机角度数据传输系统具有相同的功用。,由旋转变压器所构成的角度传输系统也能精确地传输旋变发送机转子转角1与旋变差动发送机转子转角2之差角1-2。1和2的正方向应按照逆时针方向取正,顺时针方向取负的原则来取。,图 3-11 XF-XC-XB组成的角度数据传输系统,当旋变变压器XB的输出绕组接一相或两相不对称负载时,负载电流产生电枢反应,使气隙中的正弦磁场发生畸变,会导致旋转变压器输出电压与转子转角成正余弦函数的关系产生偏差,造成解算精度和数据传输精度下降。为了提高精度
20、消除偏差,仍然采用原、副边补偿的方法,效果将更好。,日本多摩川(TAMAGAWA)旋转变压器,简 介,日本多摩川精工(TAMAGAWA)公司推出旋转变压器,替代旋转编码器,采用无刷设计，所以无需维护，使用可靠，寿命长，对机械和电气噪音不敏感。由于旋变以上特点，被广泛应用在高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合，如机器人系统、伺服系统、工程机械、电动混合汽车、电力冶金、纺织印刷、航空航天等领域。,主要特点,操作温度范围宽：（-55至+155）能用在恶劣的环境中工作 振动：196 m/s2(20G)在10500 Hz时 耐冲击：981 m/s2(100G)湿度：在60时，最小相对湿度为90 高速旋转：60003000 r/min 由于采用无刷结构，所以旋变可以高可靠性和长寿命 绝对位置检测(未来替代编码器的主流产品)重量0.03-0.28 Kg,
