高精度旋转变压器设计技术研究.pdf

第 卷 年第 期 月.高精度旋转变压器设计技术研究马天生 蒙 赟(.贵州航天林泉电机有限公司 贵阳 .航空航天精密微特电机技术重点实验室 贵阳)摘 要:针对传统的旋转变压器磁路法设计的不足 提出了一种高精度旋转变压器设计技术研究方法 根据 软件对旋转变压器磁路有限元仿真分析结果 结合 软件采用极值采样及三次样条插值法对输出信号包络线实现精准提取 进而有效评估输出信号正弦性 运用多角度电磁仿真分析方法以及输出信号“正反切法”并结合 软件实现旋转变压器全角度电气精度解算 进而有效评估旋转变压器转子不同位置下电气精度值 试验结果对比 种不同基座号、不同励磁条件下的旋转变压器实际测试结果 证明其有效性关键词:旋转变压器 有限元仿真 畸变率 电气精度中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:修回日期:作者简介:马天生()男 硕士 工程师 研究方向为微特电机的研发与设计蒙 赟()女 硕士 高级工程师 研究方向为微特电机的研发与设计 引 言旋转变压器作为电机转子角度位置传感器 具有高精度、抗干扰等优点 尤其在军用及太空等特殊极端环境领域 旋转变压器能够适用于各种恶劣复杂工况而应用广泛 因此对高精度旋转变压器设计技术研究尤为重要目前旋转变压器多采用类似于电动机设计的磁路场计算方法来进行 设计方法通常将旋转变压器磁路分解为若干部分 并对每个部分进行磁路计算这种计算方法在各个部分均进行了近似简化 简化过程累计 势必对旋转变压器这样高精度位置传感装置性能产生较大的影响现有方法通常采用有限元仿真计算分析方法可实现对旋转变压器设计性能进行分析 分析过程常采用正余弦输出信号的畸变率()来作为旋转变压器设计性能分析指标 但这项指标在有限元电磁分析软件中不能直接得到 因此需借助 软件对仿真结果进行计算 原有的计算结果多采用 变换来对旋转变压器正余弦信号畸变率进行计算 但这种求解的包络线不能概括出完整、采样均匀的正余弦输出信号 这势必对旋变设计性能判定产生极大干扰 文献中对电气精度求解进行介绍 但在旋转变压器设计仿真分析过程中未进行全角度仿真分析 对旋转变压器这种高精度传感装置 设计时应充分考虑多角度设计结果 避免 卷特殊角度位置电气精度超差情况本文提出了一种极值采样及三次样条插值的方法实现了旋转变压器正余弦输出信号包络线精准提取 采用傅里叶函数实现旋转变压器输出信号畸变率的准确计算 且运用多角度电磁仿真分析方法及输出信号“正反切法”实现了旋转变压器全角度电气精度计算分析 结果通过实验验证了这两种方法的准确性 基本原理旋转变压器有两套绕组 它们在空间位置上相互垂直 其中 为激磁绕组 接激磁电压 与之相互垂直的绕组短接 与 分别作为正弦、余弦绕组 输出正、余弦信号、电气原理如图 所示在转子的激磁绕组上施加高频交流电压 此时将会在旋转变压器中产生磁通 它将会在旋转变压器的绕组中产生感应电动势为()式中 为转子绕组有效匝数图 旋转变压器原理图同时 磁通 还可以分别分解成一个与旋转变压器正弦绕组中心轴线一致的分量磁通 以及另外一个与旋转变压器余弦绕组中心轴线一致的分量磁通 这两个分量分别在旋转变压器定子正、余弦绕组中产生相对应的电动势分量为 ()()式中 为旋转变压器定子绕组匝数 为旋转变压器转子旋转角度设变比为()忽略旋转变压器激磁绕组的漏阻抗所产生的压降 则空载时定子绕组输出电动势等于输出电压于是有 ()()由式()和式()可知 当激磁电压恒定且电机空载情况下 旋转变压器正、余弦绕组的输出信号分别与转子旋转角度 呈正、余弦函数关系 输出信号正余弦性计算方法输出信号正余弦性是衡量旋转变压器设计性能的一项重要指标 判断旋转变压器输出信号的正余弦性首先需要提取输出信号的包络线 通过极值法提取出的正余弦信号包络线存在采样点不均匀现象 采用三次样条插值法能够实现离散数据均匀插值采样三次样条插值法是离散数据进行逼近的过程定义序列 与函数 其中 的节点为 且 对应的 的节点为 与 之间存在函数关系式为()()三次样条插值表示为每两个节点之间的函数即在每一个分段区间 中()()并且()()()都在区间内连续 即()的曲线光滑 第 个三次多项式分段可以表示为()()()()()要确定 个区间的三次样条函数需要求出 个未知参数:、可以根据插值的连续性以及微分的连续性得到 个条件()()()()()()()剩余两个条件为在 与 处的边界条件对于 仿真得到的旋转变压器正余弦输出信号经过函数化进行处理 分别求取信号的一、二阶导数 可表示为()()()()()()()式中 表示的是时间 表示的旋转变压器输出信号值将正余弦输出电压信号的每一帧作为三次样条插值的一个节点 对信号()进行函数化处理其中 根据三次样条插值的基本计算公式 在每个区间()()中都存在等式()()()且满足()()()对式()可改写为 期马天生等:高精度旋转变压器设计技术研究()()()()()()()()()根据上述方法求取正余弦旋转变压器输出信号包络线后 对包络线进行傅里叶分解 根据结果求取正余弦旋转变压器的畸变率 进而判断信号的正余弦性 计算方法如图 所示图 旋转变压器正余弦性计算方法框图 电气误差计算方法输出信号包络线傅里叶分解求取畸变率是对旋转变压器综合性能进行评判 并不能直接判断出所设计旋转变压器的仿真电气精度值大小 为进一步评估旋转变压器性能 对旋转变压器输出信号采用“反正切”以及“象限判断”来直接仿真计算旋转变压器电气精度值 通过 仿真得到在不同 角度下的电压输出波形 计算输出信号的有效值 和 进而解算出角度位置信号 (/)()根据旋转变压器两相输出电压信号有效值的正负 对解算出的角度值进行象限判断 ()式中 为旋转变压器的实际解算角度值 表示的是象限 且 根据旋转变压器输出的正余弦信号解算出的角度值 与实际仿真设定角度 值求取误差 即为电气误差:()正余弦旋转变压器电气误差的计算方法框图如图 所示图 旋转变压器电气精度计算方法框图 试验验证 电磁参数本文设计采用某军用正余弦旋转变压器 其主要电磁设计参数如表 所示表 旋转变压器电磁设计参数参数参数值参数参数值定子外径/转子内径/气隙/转子槽数定子绕组型同心式正弦分布转子绕组型同心式正弦分布定子槽数转子槽数 卷 有限元仿真分析根据所设计的旋转变压器电磁参数 建立 二维仿真模型 如图 所示图 旋转变压器 仿真模型磁路仿真结果是电机性能输出的重要参考指标磁力线的分布示意图如图()所示 可以看出 磁场呈两极并沿中心轴线对称 且气隙磁密呈正弦分布 说明绕组按型绕组进行布线排列 由磁密云图图()可以看出 铁心中磁密分布均匀 过渡平滑 磁路未出现过饱和 边缘和齿槽处漏磁很小铁心材料磁性能利用率高图 旋转变压器磁路仿真结果通过 仿真得到正弦输出电压 和余弦输出电压 结果如图()和图()所示图 旋转变压器正余弦仿真输出电压信号 输出信号正余弦性计算方法试验验证采用本文所提出的旋转变压器输出信号正余弦性计算方法 使用 首先对正余弦输出信号进行数据处理 得到输出信号包络线 如图 所示 期马天生等:高精度旋转变压器设计技术研究图 旋转变压器正余弦包络线计算结果由图 可以看出所计算出的旋转变压器正余弦输出信号幅值包络线线性度较好 实现了正余弦旋转变压器幅值信号精准、全覆盖包络 包络线均匀采样 数据过渡平滑 因此可作为旋变输出信号正余弦性判断采用 将计算得到的包络线进行傅里叶分解 结果如图 与图 所示 根据傅里叶分解结果计算正余弦输出信号的 如表 所示图 旋转变压器正弦输出电压信号傅里叶分析图 旋转变压器余弦输出电压信号傅里叶分析通过本文方法计算结果可以看出所设计旋转变压器正弦、余弦输出信号幅值包络线的谐波 均较小 奇次谐波大于偶次谐波亦符合旋转变压器采用型绕组的基本理论 计算结果说明所设计旋转变压器的输出信号波形正弦性较好 理论性能较好表 旋转变压器输出电压信号各次谐波的幅值及畸变率电压基波 次 次 次 次 次()电气精度计算方法试验验证为使仿真结果更加有效判断出所设计旋转变压器的性能情况 本文在一个电周期内转子各位置机械角度间隔 度 共计 个位置在 中进行仿真得到 个位置下正余弦输出信号如图 所示图 旋转变压器电气精度仿真电压输出信号将电磁仿真得到的各个位置下正、余弦输出信号导入按本文电气精度计算方法编写的 电气精度解算程序中 得出所设计旋转变压器在 个位置下的仿真电气精度值如图 所示图 旋转变压器仿真电气精度计算结果由旋转变压器仿真电气精度计算结果可以看出 卷仿真设定实际位置电气角度是由 依次递增的 图中的散点图是由 程序根据旋转变压器两相输出正余弦信号解算出的仿真电气精度值 通过图中结果可以看出 仿真电气角度与实际设定角度一一对应 仿真电气精度散点几乎完全在一条直线上且呈 依次递增 通过图 的两个电气角度误差计算值可以得到旋转变压器两相输出转子各位置下的最大电气精度为 理论设计值较小结合已研制旋转变压器允许材料性能、工艺等误差判断出所设计的旋转变压器电磁方案的可行性 实物产品验证根据本文提出方法 生产制造了不同基座号、不同激磁电压情况下的旋转变压器 采用旋转变压器全自动测试设备如图 所示 对 种旋转变压器性能进行测试以验证方法准确性 旋转变压器仿真值与实测值对比结果如表 所示图 旋转变压器性能测试表 旋转变压器仿真值与实测值偏差统计产品代号激磁电压/激磁频率/信号畸变率()最大电气误差/()仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /仿真值 /实测值 /由表 可以看出 旋转变压器正余弦输出信号畸变率与计算最大电气误差结果呈正比关系 且仿真设计最大电气精度角度值与实际测试最小值结果偏差较小 作为高精度传感设备 实际生产制造过程中受多种不确定因素影响较大 因此忽略仿真设计偏差、材料性能偏差以及生产制造工艺偏差等多种不确定因素 两种方法均可作为指标来对旋转变压器设计性能进行评判 且对旋转变压器的设计性能评判结果是相辅相成的 结 论本文研究了一种通过极值采样及三次样条插值的信号包络线提取方法 能够做到快速、均匀、准确的提取旋转变压器输出信号包络线 通过傅里叶分解 能够更加准确的计算出旋转变压器输出信号的正余弦性 为进一步评估所设计旋转变压器的性能 本文运用多角度电磁仿真分析方法、“正反切法”实现了全角度旋转变压器电气精度仿真计算分析 并通过实际生产制造的产品实测值与仿真计算值进行了对比 试验结果验证了上述提出的旋转变压器输出信号正余弦性评判方法以及电气精度计算方法的准确性 使用上述两种方法不仅可用来评判旋转变压器的设计性能 还可根据计算结果用以优化旋转变压器的设计 为现代旋转变压器的设计与研究方法提供理论指导依据参考文献 控制微电机设计.北京:机械工业出版社:.冉晓贺 杨玉磊 尚静 等.半波结构轴向磁阻式旋转变压器电磁模型与参数计算.中国电机工程学报 ():.():.李立娜 李大超 袁永杰.无刷旋转变压器的磁路设计及仿真分析.微特电机 ():.许兴斗 王永博 周竞捷.一种旋转变压器电气精度的仿真分析方法.微特电机 ():.程明.微特电机及系统.北京:中国电力出版社:.():.().曲家骐 陈利仙.多极旋转变压器正弦绕组的结构分析.微电机():.