[发明专利]单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法

说明书

本发明属于传感器和特种电机、微型电机领域，公开了一种单对极绕线式无刷旋转变压器的绕组配合与线匝选择方法，通过斜槽措施抑制最低阶齿谐波v₀的影响，通过加大相邻齿谐波阶次的间隔H，抑制更高阶齿谐波成分，选择恰当的质数绕组配合，确定绕组并基于绕组配合数字，确定线匝数幅值选取下限值(即绕组最小匝数幅值的取值)，实现高精度的角度测量。本发明在保持精度的前提下，可以避免4倍数的同心正弦绕组铜线利用率低，绕制相对困难且最小齿槽配合数为8:12难以做得更小的问题，显著改善相关工艺性和经济型，缩小旋变体积。

技术领域

本发明属于传感器和特种电机、微型电机领域，尤其涉及一种单对极绕线式旋转变压器绕组配合与线匝选择方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

旋转变压器(以下简称为旋变)诞生于二战末期，是自动控制系统中的典型位置测量传感器，特别适合于极端恶劣环境下的角度和角速度精确测量，从一开始就主要用于高端军事装备或工业设备，目前主要有绕线式无刷旋变和磁阻式旋变两大类，单对极和多对极等不同的配置方案。经典的旋变基于电磁感应原理，输出信号相对于主轴角度为正余弦调幅载波，任意时刻正余弦包络线的函数值对应于旋变主轴当时具体角度值。旋变主轴角度的测量精度关键在于正余弦包络线所对应的正弦磁势精度。

目前国内外的研究大都围绕转子无绕组的磁阻式多极旋变展开，测量精度较低，主要用于新能源汽车行业，采用正弦匝数短距绕组为基础的两相正交信号绕组布置方案，短距数为1，定子齿槽数为4的倍数，每齿同时布置有激磁绕组、正弦信号、余弦信号共三套绕组线圈。为改善磁阻式旋变绕组工艺性并规避绕组专利问题，研究人员纷纷将正弦匝数绕组改为等匝数绕组，但齿槽数仍保持为4的倍数，主要做法有两类：第一类将励磁绕组均布于所有齿上，奇数齿布置正弦绕组，偶数齿布置余弦绕组，定子槽为4的倍数；第二类将激磁绕组、正弦绕组、余弦绕组三套绕组交替布置于3个独立的齿上，总槽数为12的倍数，实际还是4的倍数。

绕线式无刷旋变主要用作工业伺服电机的编码器，或者用于要求苛刻的军事或航空航天应用中的角度测量或角速度测量，在设计中目前主流还是参照《控制微电机设计·旋转变压器》(1974)、《中国电器工程大典·电机工程》(2008)等中提出的设计方法，即以同心正弦绕组为基础的4的倍数齿槽正弦绕组配合，采取8:12、12:16、20:12、28:24、40:24等为代表的4的倍数配合进行设计，但由于电机圆周开槽间隙限制，齿槽数较多会使得旋转变压器的体积难以缩小；此外，同心正弦绕组本身的端部无效走线较多，绕制工艺相对困难很低，铜线浪费大。其他形式正弦绕组，如迭式双层绕组或短距绕组的绕制工艺难度各有不同程度提高的同时，测量精度却降低了很多，一般认为出于避免浪费大量铜线在端部无效走线等原因，仅仅运用在大型绕线式旋转变压器设计中。

中国发明专利(申请号：201410119734.1)“一种多余度双通道无接触旋转变压器”采用同心正弦绕组，齿槽数为4的倍数。Ramin Alipour-Sarabi(IEEE Sensors Journal，2017)提出的轴向磁通分数槽旋转变压器齿槽数也还是保持了4的倍数。近些年来出现有若干种奇数齿槽配合的绕线式旋转变压器，例如日本多摩川旋转变压器中采用了11:20配合，中国发明专利申请(申请号：201710132525.4)“小尺寸旋转变压器的齿槽配合及绕组选择方法”选择了13:16，实用新型专利申请(申请号：201320705500.6)“七槽旋转变压器”选择了7:12。但现有非4的倍数齿槽配和仍然体现为少数特定配合的优化数字，缺少明确的奇数槽或质数槽绕组配合设计方法。一般认为，奇数齿槽只能运用迭式双层绕组，而且并不确定奇数槽旋变是否优于偶数槽旋变。

此外，对于配合绕组的线匝数确定问题，目前的设计方法均以绕组匝数尽可能多为原则，充分填满整个线槽嵌线空间。Ramin Alipour-Sarabi(2019，IEEE Transactionson Industrial Electronics)提出用遗传算法来确定线匝数，只能具体问题具体处理，更适合于设计优化而不能作为基本方案设计指导，缺少线匝数选取的具体约束条件。