阅读说明：本技术 一种无刷旋转变压器 (Brushless rotary transformer ) 是由 许兴斗 吴立建 周竞捷 王永博 周奇慧 周昊宇 王文婷 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：一种无刷旋转变压器,包括转轴和同轴设置的旋变组件与环变组件；旋变组件包括旋变定子和旋变转子,旋变转子和旋变定子分别具有各自的铁芯和绕组；环变组件的铁芯设有绕组容纳槽,绕组设置于绕组容纳槽内；环变定子的绕组容纳槽的轴向长度大于环变转子的绕组容纳槽的轴向长度,且环变转子铁芯的轴向长度大于环变定子铁芯的轴向长度。本发明中,环变定子槽和环变定子绕组线圈骨架的结构相比传统结构有所改变和增加,使得环形定子绕组线圈的分布方式有所改变和增加,在特殊工况下,当转子存在轴向窜动时,变压器输出变压比仍能满足正常工作要求,具有较高的可靠性。(A brushless rotary transformer comprises a rotating shaft, a rotary transformer assembly and a ring transformer assembly, wherein the rotary transformer assembly and the ring transformer assembly are coaxially arranged; the rotary transformer assembly comprises a rotary transformer stator and a rotary transformer rotor, and the rotary transformer rotor and the rotary transformer stator are respectively provided with an iron core and a winding; the iron core of the annular transformer assembly is provided with a winding accommodating groove, and the winding is arranged in the winding accommodating groove; the axial length of the winding accommodating groove of the ring variable stator is greater than that of the winding accommodating groove of the ring variable rotor, and the axial length of the core of the ring variable rotor is greater than that of the core of the ring variable stator. In the invention, compared with the traditional structure, the structure of the ring variable stator slot and the ring variable stator winding coil skeleton is changed and increased, so that the distribution mode of the ring variable stator winding coil is changed and increased, and under special working conditions, when the rotor axially moves, the output transformation ratio of the transformer can still meet the normal working requirement, and the reliability is higher.)

一种无刷旋转变压器

技术领域

本发明涉及旋变组件技术领域，尤其是涉及一种无刷旋转变压器。

背景技术

旋变组件在数控系统中常用于角度位置的传感和测量，相对于磁性编码器、光学编码器等其它角度位置的传感元件，旋变组件具有无可比拟的可靠性和高精度，在许多场合下有着不可替代的地位，特别是在军事以及航空航天等方面。为了适应现代武器装备的快速发展，对于电子对抗、光电跟踪、雷达等伺服控制系统，不仅要求旋变组件具有高精度和高可靠性能，而且要求其能够适应某些恶劣或者特殊的工作场合。

在某些使用场合，转子存在较大的轴向窜动，需要旋变组件能适应此种工况。轴向窜动会使传统旋变组件的磁路发生明显变化，大幅影响旋变组件的变压比、相位移等性能参数，从而影响系统中旋变组件后级解算电路的正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种即使转子出现轴向窜动，变压器输出变压比仍能满足正常工作要求的高可靠性的无刷旋转变压器。

一种无刷旋转变压器，包括转轴和同轴设置的旋变组件与环变组件；旋变组件包括旋变定子和旋变转子，旋变转子和旋变定子分别具有各自的铁芯和绕组；旋变定子铁芯的轴向长度大于旋变转子铁芯的轴向长度；环变组件包括环变定子和环变转子，环变转子和环变定子分别具有各自的铁芯和绕组；环变组件的铁芯设有绕组容纳槽，绕组设置于绕组容纳槽内；环变定子的绕组容纳槽的轴向长度大于环变转子的绕组容纳槽的轴向长度，且环变转子铁芯的轴向长度大于环变定子铁芯的轴向长度。

转轴发生轴向窜动时，窜动后的环变转子与环变定子相对的面积基本不变，即使转轴发生轴向窜动，窜动后的定子铁芯也仍然在转子铁芯覆盖的范围内，从而使定子铁芯和转子铁芯相对的面积基本不变，减小磁路变化。同理，使旋变定子铁芯的长度大于旋变转系铁芯的长度，减小磁路变化。如此，本发明的无刷旋转变压器的磁路稳定，变压器输出变压比仍能满足正常工作要求，具有较高的可靠性。

优选的，环变定子铁芯的轴向长度等于环变转子铁芯的轴向长度加上轴向窜动量；和、或旋变定子铁芯的轴向长度等于旋变转子铁芯的轴向长度加上轴向窜动量；轴向传动量包含所有窜动方向的窜动量之和。

定子铁芯固定，转子铁芯安装于转轴，转轴可能发现沿轴前、后两个方向的窜动，若朝前向的窜动量和朝后的窜动量均为X，那么轴向窜动量应为2X。

优选的，环变定子绕组绕制在骨架上，骨架的形状决定绕组的分布，骨架固定于环变定子的绕组容纳槽内；或者，绕组直接绕制于绕组容纳槽内，绕组容纳槽的槽型决定绕组的分布。

优选的，环变定子绕组平铺于绕组容纳槽内，或者，环变定子绕组的面积与环变转子绕组的面积相等，环变定子绕组设置于绕组容纳槽的中部或任意一侧；或者，环变定子绕组呈中间少两边多的对称分布，比如定子绕组与转子相对的面呈C形、椭圆形、三角形等。将骨架或绕组容纳槽的槽型设置为绕组布置方式的形状，即可实现绕组的上述分布。

优选的，环形定子绕组接入激磁电压U ₁ = Usin(ωt)，在旋变组件定子绕组获得两相输出信号，输出电压分别为：U _C = KUsin(ωt)cos(pθ)，U _S = KUsin(ωt)sin(pθ)，其中K为变压比，U为输入电压幅值，ω为激磁频率，p为极对数，θ为转子机械角度。

优选的，旋变定子铁芯、旋变转子铁芯、环变定子铁芯和环变转子铁芯的材料均为硅钢片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中，环变组件转子铁芯的轴向长度大于环变组件定子铁芯的轴向长度，以及环变定子铁芯的绕组容纳槽的轴向长度大于环变转子铁芯的绕组容纳槽的轴向长度，同时，旋变组件转子铁芯的轴向长度小于旋变组件定子铁芯的轴向长度；在转子轴向窜动时，环变组件定子铁芯与环变组件转子铁芯的相对面积基本保持不变，旋变组件定子铁芯与旋变组件转子铁芯的相对面积基本保持不变，从而减小转子轴向窜动时磁路的变化，使得无刷旋转变压器输出的变压比和相位移仍能满足正常工作要求，具有较高的可靠性。

2、本发明中，环变定子槽和环变定子绕组线圈骨架的结构相比传统结构有所改变和增加，使得环形定子绕组线圈的分布方式有所改变和增加，在特殊工况下，当转子存在轴向窜动时，变压器输出变压比仍能满足正常工作要求，具有较高的可靠性。

附图说明

图1是旋变组件和环变组件安装在转轴上的示意图。

图2是轴向窜动时，转子和定子之间的相对位移情况；其中，a是转子和定子对中时的示意图，b是转子朝后窜动到极限位置的示意图，c是转子朝前窜动到极限位置的示意图。

图3是无刷旋转变压器的电路示意图。

图4是环变组件中，骨架实现不同绕组分布的示意图；其中，a是环变定子绕组平铺于绕组容纳槽内的示意图，b是骨架呈E形，环变定子绕组绕制在骨架的槽内的示意图，c是环变定子绕组相对转子的面呈C形、使绕组呈两边多中间少的对称分布的示意图，d是环变定子绕组相对转子的面呈三角形、使绕组呈两边多中间少的对称分布的示意图。

图5是环变组件中，绕组容纳槽的槽型实现不同绕组分布的示意图；其中，a是环变定子绕组平铺于绕组容纳槽内的示意图，b是环变定子的绕组容纳槽呈E形、环变定子绕组和骨架填充满绕组容纳槽的示意图，c是环变定子绕组相对转子的面呈C形、使绕组呈两边多中间少的对称分布的示意图，d是环变定子绕组相对转子的面呈三角形、使绕组呈两边多中间少的对称分布的示意图。

图6是图4中各种绕组分布形式下，本发明的输出变压比随转子轴向位置变化曲线与传统无刷旋转变压器的输出变压比随转子轴向位置变化曲线的对比；其中，a是绕组呈图4a的分布情况下的对比图，b是绕组呈图4b的分布情况下的对比图，c是绕组呈图4c的分布情况下的对比图，d是绕组呈图4d的分布情况下的对比图。

图7是图4中各种绕组分布形式下，本发明的输出变压比随转子轴向位置变化曲线与实施例1的输出变压比随转子轴向位置变化曲线的对比。

图8是图5中各种绕组分布形式下，本发明的输出变压比随转子轴向位置变化曲线与传统旋变组件的输出变压比随转子轴向位置变化曲线、以及图4a绕组分布形式的对比；其中，a是绕组呈图5a的分布情况下的对比图，b是绕组呈图5b的分布情况下的对比图，c是绕组呈图5c的分布情况下的对比图，d是绕组呈图5d的分布情况下的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1

如图1所示，一种无刷旋转变压器，包括转轴3和同轴3设置的旋变组件1与环变组件2；旋变组件1和环变组件2；旋变组件1包括旋变定子和旋变转子，旋变转子和旋变定子分别具有各自的铁芯和绕组；旋变定子铁芯1.1的轴向长度大于旋变转子铁芯1.3的轴向长度；环变组件2包括环变定子和环变转子，环变转子和环变定子分别具有各自的铁芯和绕组；环变组件2的铁芯设有绕组容纳槽，绕组设置于绕组容纳槽内；环变定子的绕组容纳槽的轴向长度大于环变转子的绕组容纳槽的轴向长度，且环变转子铁芯2.1的轴向长度大于环变定子铁芯2.4的轴向长度。旋变转子铁芯上绕制有旋变转子绕组1.4，旋变定子铁芯1.1上绕制有旋变定子绕组1.2。

转轴3发生轴向窜动时，窜动后的环变转子与环变定子相对的面积基本不变，即使转轴3发生轴向窜动，窜动后的转子铁芯也仍然在定子铁芯覆盖的范围内，从而使定子铁芯和转子铁芯相对的面积基本不变，减小磁路变化。同理，使旋变定子铁芯1.1的长度大于旋变转系铁芯的长度，减小磁路变化。如此，无刷旋转变压器的磁路稳定，变压器输出变压比仍能满足正常工作要求，具有较高的可靠性。

如图2所示，旋变定子铁芯1.1的轴向长度等于旋变转子铁芯1.3的轴向长度加上轴向窜动量；轴向传动量包含所有窜动方向的窜动量之和；和、或环变定子铁芯2.1的轴向长度等于环变转子铁芯2.4的轴向长度加上轴向窜动量。定子铁芯固定，转子铁芯安装于转轴3，转轴3可能发现沿轴前、后两个方向的窜动，若朝前向的窜动量和朝后的窜动量均为X，那么轴向窜动量应为2X。

如图1和图4a所示，环变定子绕组绕制在骨架2.3上，骨架2.3的形状决定绕组的分布，骨架2.3固定于环变定子的绕组容纳槽内。环变定子绕组平铺于绕组容纳槽内、呈矩形分布。环变转子绕组也可以是绕制在环变转子骨架2.6上，如图1所示。

如图3所示，环形定子绕组2.2接入激磁电压U ₁ = Usin(ωt)，在旋变定子绕组1.2获得两相输出信号，输出电压分别为：U _C = KUsin(ωt)cos(pθ)，U _S = KUsin(ωt)sin(pθ)，其中K为变压比，U为输入电压幅值，ω为激磁频率，p为极对数，θ为转子机械角度。

旋变定子铁芯1.1、旋变转子铁芯1.3、环变定子铁芯2.1和环变转子铁芯2.4的材料均为硅钢片。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：如图4b所示，环变定子绕组绕制在骨架上，骨架呈E形；骨架和环变定子绕组填充满环变定子的绕组容纳槽。其余结构均与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：如图4c所示，定子绕组与转子相对的面呈C形，环变定子绕组呈中间少两边多的对称分布。其余结构均与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：如图4d所示，定子绕组与转子相对的面呈三角形，环变定子绕组呈中间少两边多的对称分布。其余结构均与实施例1相同。

如图6所示，实施例1~4的四种环变定子绕组分布形式，输出电压比随转子轴向位置变化曲线都明显比传统变压器的输出电压比随转子轴向位置变化曲线平缓，本发明输出变压比相比传统结构的无刷旋转变压器更稳定。并且实施例2的绕组分布形式使变压器的输出变压比最优。如图7所示，实施例1~4的四种环变定子绕组分布形式，实施例2的绕组分布形式使变压器的输出变压比最优。

实施例5

本发明与实施例1的区别在于：如图5a所示，绕组直接绕制于绕组容纳槽内，绕组容纳槽的槽型决定绕组的分布；环变定子绕组平铺于绕组容纳槽内，骨架和环变定子绕组填充满环变定子的绕组容纳槽。骨架起到固定环变定子绕组形状的作用。其余结构均与实施例1相同。

实施例6

本发明与实施例5的区别在于：如图5b所示，环变定子绕组绕制在绕组容纳槽内，绕组容纳槽呈E形；骨架和环变定子绕组填充满环变定子的绕组容纳槽。其余结构均与实施例5相同。

实施例7

本实施例与实施例5的区别在于：如图5c所示，定子绕组与转子相对的面呈C形，环变定子绕组呈中间少两边多的对称分布。其余结构均与实施例5相同。

实施例8

本实施例与实施例5的区别在于：如图5d所示，定子绕组与转子相对的面呈三角形，环变定子绕组呈中间少两边多的对称分布。其余结构均与实施例5相同。

如图8所示，实施例5~8的四种环变定子绕组分布形式，输出电压比随转子轴向位置变化曲线都明显比传统变压器的输出电压比随转子轴向位置变化曲线平缓，本发明输出变压比相比传统结构的无刷旋转变压器更稳定。实施例6的绕组分布形式使变压器的输出变压比最优。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。