磁阻式自整角机
阅读说明：本技术 磁阻式自整角机 (Reluctance type self-angle-adjusting machine ) 是由 曲家骐 谢孟纷 霍海宽 许奇 田原 杨海兵 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁阻式自整角机,包括：定子组件、转子、励磁绕组和输出绕组。转子具有一个或多个极对数,转子与定子组件之间能够形成按极对数分布的气隙磁场；励磁绕组绕制于定子组件上,励磁绕组能够产生随转子转角变化的励磁主磁链,同时产生不随转子转角变化的漏磁链(漏磁链是伴生的,是不需要的)；三相输出绕组星形连接且对称绕制于定子组件上,输出绕组配合励磁绕组的绕向能够消除输出绕组因漏磁链而感应出的恒定分量。根据本发明实施方式的磁阻式自整角机,将励磁绕组和输出绕组均绕制于定子组件上,通过励磁绕组和输出绕组的绕向来消除恒定分量,从而提高了自整角机的精度,同时也降低了自整角机的生产难度。(The invention discloses a reluctance type self-angle machine, comprising: stator module, rotor, excitation winding and output winding. The rotor is provided with one or more pole pairs, and an air gap magnetic field distributed according to the pole pairs can be formed between the rotor and the stator component; the excitation winding is wound on the stator component and can generate an excitation main flux linkage which changes along with the rotor angle and simultaneously generate a leakage flux linkage which does not change along with the rotor angle (the leakage flux linkage is associated and is not needed); the three-phase output winding is in star connection and symmetrically wound on the stator assembly, and the output winding is matched with the winding direction of the excitation winding, so that the constant component induced by the output winding due to the leakage flux chain can be eliminated. According to the reluctance type self-angle machine provided by the embodiment of the invention, the excitation winding and the output winding are wound on the stator component, and the constant component is eliminated through the winding direction of the excitation winding and the output winding, so that the precision of the self-angle machine is improved, and the production difficulty of the self-angle machine is reduced.)
技术领域
本发明是关于自整角机，特别是关于一种磁阻式自整角机。
背景技术
角度信号识别和角度信号传输的传感器有很多种。其中，自整角机是最 早电磁原理应用于角度信号识别和角度信号传输的传感器。但传统的磁阻式 自整角机由于精度低、加工难度大，现完全被磁阻式旋转变压器所代替。
公开于该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理 解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术 人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的磁阻式自整角机，其精度高、加工更为 方便。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种磁阻式自整角机，包括： 定子组件、转子、励磁绕组和三相输出绕组。转子具有一个或多个极对数， 转子与定子组件之间能够形成按极对数分布的气隙磁场；励磁绕组绕制于定 子组件上，励磁绕组能够产生随转子转角变化的励磁主磁链，同时产生不随 转子转角变化的漏磁链；三相输出绕组星形连接且对称绕制于定子组件上， 输出绕组的绕向配合励磁绕组的绕向能够消除所述输出绕组因漏磁链而感应 出的恒定分量。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述转子具有多个用于形成极对数 的凸起部和凹槽部，所述凸起部和凹槽部沿所述转子的圆周方向间隔均匀布 设。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述定子组件包括铁芯以及包覆于 铁芯表面的骨架，所述励磁绕组和输出绕组对应绕制于骨架上。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述铁芯包括定子轭、设置于定子 轭内侧的多个用于绕制所述励磁绕组和输出绕组的定子齿，所述定子轭和定 子齿之间形成有用于置放所述励磁绕组和输出绕组的定子槽。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述定子齿和定子槽的数量均为6 的整数倍。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述励磁绕组包括多个相连的励磁 绕组元件，所述输出绕组包括多个相连的输出绕组元件，
在本发明的一个或多个实施方式中，所述输出绕组元件的数量为偶数， 所述输出绕组元件的数量等于所述定子槽的数量的三分之一或三分之二，所 有所述输出绕组元件呈60°相带或者120°相带分布。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述励磁绕组元件在相邻两个所述 定子槽内均形成有第一有效边层，所述输出绕组元件在相邻两个所述定子槽 内均形成有第二有效边层，每个所述定子槽内形成的第一有效边层的数量和 第二有效边层的数量的总和为四层或六层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述励磁绕组元件和输出绕组元件 的节距均等于一个齿距。
在本发明的一个或多个实施方式中，三组所述输出绕组为分布短距式绕 组。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的磁阻式自整角机，将励磁绕组 和输出绕组均绕制于定子组件上，通过励磁绕组和输出绕组的绕向来消除恒 定分量，从而提高了自整角机的精度，同时也降低了自整角机的生产难度。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的定子组件、转子、励磁绕组和输出绕组 的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的定子组件的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的铁芯的平面结构示意图；
图4是根据本发明一实施方式的第一骨架的结构示意图；
图5是根据本发明一实施方式的第二骨架的的结构示意图；
图6是根据本发明一实施方式的励磁绕组和输出绕组的原理示意图；
图7是根据本发明一实施方式的励磁绕组的原理图；
图8是根据本发明一实施方式在磁极对数P为5、相带为60°的条件下 的输出绕组的原理图；
图9是根据本发明一实施方式在磁极对数P为4、相带为60°的条件下 的输出绕组的原理图；
图10是根据本发明一实施方式在磁极对数P为4、相带为120°的条件 下的输出绕组的原理图；
图11是根据本发明一实施方式的转子的平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本 发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种磁阻式自整角机，包括： 定子组件100、转子200、励磁绕组T和三相输出绕组A、B、C。
转子200具有一个或多个极对数，转子200与定子组件100之间能够形 成按极对数分布的气隙磁场。励磁绕组T绕制于定子组件100上，励磁绕组T 能够产生随转子转角变化的励磁主磁链，同时产生不随转子转角变化的漏磁 链(漏磁链是伴生的，是不需要的)。三相输出绕组A、B、C星形连接且对 称绕制于定子组件100上，输出绕组的绕向配合励磁绕组的绕向能够消除输 出绕组A、B、C因漏磁链而感应出的恒定分量。
如图2所示，定子组件100包括铁芯110以及包覆于铁芯110表面的骨 架120。骨架120可以包覆于铁芯110的部分表面。励磁绕组T和输出绕组A、 B、C对应绕制于骨架120上，骨架120用于绝缘和支撑励磁绕组T和输出绕 组A、B、C。
如图3所示，铁芯110包括定子轭111、设置于定子轭111的内侧壁上的 多个用于绕制励磁绕组T和输出绕组A、B、C的定子齿112。定子轭111和 定子齿112之间形成有用于置放励磁绕组T和输出绕组A、B、C的定子槽113， 骨架120覆盖于定子槽113内和定子齿112的外表面。
一实施方式中，励磁绕组T和三相输出绕组A、B、C的节距均为一个齿 距。定子齿112和定子槽113的数量相等且均为6的整数倍。
如图2、图4和图5所示，骨架120包括包覆于部分定子轭111、定子齿 112以及定子槽113表面的第一骨架121和第二骨架122。一实施方式中，通 过第一骨架121和第二骨架122分别从铁芯110上下两侧插入对铁芯110进 行包覆。
第一骨架121和第二骨架122在覆盖铁芯110的部分是完全对称一致的。 如图4所示，第一骨架121除了包覆铁芯110部分外，还有径向伸出部分1211， 径向伸出部分1211用于焊接引线R1、R2、S1、S2和S3。
如图4和图5所示，第二骨架122的形状、尺寸均与另一侧的第一骨架121相对应部分一致，第二骨架122的作用就是和第一骨架121一起完整包覆 铁芯110的定子槽113内部和定子齿112外表面。
如图6和图2所示，输出绕组A、B、C星形连接且在定子组件100上构 成三相对称绕组，星形连接可对测量精度影响最大的3次谐波进行抵消。三 相输出绕组A、B、C之间为120°电度角。三相输出绕组A、B、C属于分布 短距式绕组，从而具有足够优秀的消除3k次谐波的能力，只需考虑消除特定 次数的谐波，特别是6k±1(5、7、11、13、……)次谐波。
励磁绕组T形成有两根引线R1、R2。三相输出绕组A、B、C形成有三 根引线S1、S2、S3。由于被测电机的相数为三相，三相输出绕组A、B、C 也构成三相，从而方便控制电路的设计。
三相输出绕组A、B、C的相带为60°或者120°，当相带为60°时，三 相输出绕组A、B、C可获得最大电势。
励磁绕组T的电压方程为：
U1(t)＝U1m sinωt；
三相输出绕组A、B、C的输出电势方程式为：
其中，θ为转子转角，t为时间，ω为励磁频率，U1m为励磁电压幅值，E2m为输出绕组电势幅值，P为极对数，φ为励磁电压与输出绕组输出电势之间的 相位差。
如图7所示，定子槽113和定子齿112均设置有十二个。定子槽113的标 号为1～12，定子齿112的标号为1'～12'。在其他实施方式中，定子槽113和定 子齿112也可以设置有其他数量，只需满足数量为6的整数倍这个条件即可。
如图7所示，励磁绕组T包括与定子齿112数量一致的励磁绕组元件E， 分别绕制在对应的定子齿112上。所有励磁绕组元件E的匝数均相等。相邻 两个励磁绕组元件E的绕向相反。
如图8、图9和图10所示，每相输出绕组均包括多个相连且分别置放在 对应的定子齿112上和定子槽113内的输出绕组元件F。输出绕组A、B、C 的所有输出绕组元件F按照60°或者120°相带划分分布设置在对应的定子 齿112上。每个定子齿112上可以置放有一个或者两个输出绕组元件F。在其 他实施方式中，每个定子齿112上可以置放有其他数量的输出绕组元件F。各 输出绕组元件F的匝数均相等且结合各励磁绕组元件E的匝数均相等，使得对应的定子槽113的槽满率都相同。一实施方式中，每相输出绕组的输出绕 组元件F的数量为偶数，且按照60°或者120°相带划分分布，保证可消除 输出绕组A、B、C内的恒定分量。在输出绕组元件F按照60°或者120°相 带划分时，对应的，每相输出绕组元件F的数量等于定子槽113的数量的三 分之一或三分之二。
一实施例中，所有绕组的节距均等于一个齿距。
如图7所示，励磁绕组元件E在相邻两个定子槽113内均形成有第一有 效边层且在图7中分别用虚线和实线表示，相邻两个定子槽113为设置有该 励磁绕组元件E的定子齿112两侧的定子槽113。如图8、图9和图10所示， 输出绕组元件F在相邻两个定子槽113中内均形成有第二有效边层且在图中 分别用虚线和实线表示，相邻两个定子槽113为设置有该输出绕组元件F的 定子齿112两侧的定子槽113。每个定子槽113内形成的第一有效边层的数量 和第二有效边层的数量的总和为四层或六层。
如图7所示，相邻两个励磁绕组元件E在对应的中间的一个定子槽113 内形成有两层第一有效边层且分别用实线和虚线表示。如图8、图9和图10 所示，相邻两个输出绕组元件F在中间的一个定子槽113分别形成有两个第 二有效边层且分别用实线和虚线表示。同时，相邻两个输出绕组元件F在两 侧的两个定子槽113内也分别形成有第二有效边层且分别用实线和虚线表示。 结合图7和图8或者图7和图9所示，在同一个定子槽113内，第一有效边 层以及第二有效边层的总和为四层。结合图7和图10所示，在同一个定子槽 113内，第一有效边层以及第二有效边层的总和为六层。
每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件F匝数的确定：
1)首先根据感应电动势公式E＝4.44fWefφ，得出每相输出绕组的有效匝数 Wef，f为频率，φ为主磁通。
2)根据单元星形图分析计算每相输出绕组的输出绕组元件F的数量，输 出绕组元件F的数量为偶数，通过选取60°相带还是120°相带，以保证恒定分 量在输出绕组A、B、C中相互抵消。
如图7所示，各励磁绕组元件E具有交互的+(正向)和-(反向)两种 方向的绕制。如图8、图9和图10所示，各输出绕组元件F也具有+(正向) 和-(反向)两种方向的绕制。结合图7、图8、图9和图10所示，一个定子 齿112上的励磁绕组元件E和输出绕组元件F对应的绕向具有：+(正向)与 +(正向)、-(反向)与-(反向)、+(正向)与-(反向)以及-(反向)与 +(正向)这四种情况。其中，“+(正向)与+(正向)、-(反向)与-(反 向)”对应的是正相位。“+(正向)与-(反向)、-(反向)与+(正向)” 对应的是负相位。正相位对应的元件的数量与负相位对应的元件数相等。
3)根据输出绕组形式计算出输出绕组系数kw，输出绕组系数kw的计算公 式如下：
其中，kw为绕组系数，ky为短距系数，kp为分布系数，Z为槽数，P为极 对数，qd为每极每相等效槽数，γd为每槽等效电角度。
γ为每槽实际电角度。
对于60°相带，qd＝bd+c；q为每极每相实际槽数，m 为相数，m＝3。
对于120°相带，qd＝bd+c；q为每极每相实际槽数，m 为相数，m＝3。
对于60°相带，
对于120°相带，
3)计算出每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件F的匝数：
Wa为每相输出绕组的总匝数。
Q＝2pq，P为极对数，q为每极每相实际槽数，Q为每相所有输出绕组元 件F的数量。
wa为每个输出绕组元件F的匝数。
注：Wa和wa可能会是分数，这时需要取整为相近的整数。
如图7和图8所示，取槽数Z为12，极对数P为5，进行举例说明。
1)首先计算出每相输出绕组的有效匝数Wef。
2)此时，只有一个星形图，取60°相带时，每相对应有四个输出绕组元 件F，结合图8和图7所示，励磁绕组T的各励磁绕组元件E和输出绕组A、 B、C的各输出绕组元件F的绕向关系如表1所示，由表1可知恒定分量可以 互相抵消。
表1
3)校核恒定分量
如图8和图7所示，每相四个输出绕组元件F，以单相输出绕组A为例： 励磁绕组T的励磁绕组元件E和输出绕组A的输出绕组元件F的绕向关系是： 槽号1对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为+(正向)与+ (正向)，输出绕组中的恒定分量为+。
槽号2对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为-(反向) 与+(正向)，输出绕组元件F中恒定分量为-。
槽号7对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为+(正向) 与-(反向)，输出绕组元件F中恒定分量为-。
槽号8对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为-(反向) 与-(反向)，输出绕组元件F中恒定分量为+。
可以看出，四个槽内的输出绕组元件F对应的恒定分量分别为“+、-、-、 +”，能够互相抵消，输出绕组A的总的恒定分量为零。同理，输出绕组B 和输出绕组C的总的恒定分量均为零。因此，在槽数Z为12且极对数P为5 的条件下，能够采用60°相带的绕组。
4)计算输出绕组系数kw
输出绕组系数kw可通过上述计算公式算出。
5)计算每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件F的匝数
每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件F的匝数均可通过上述计算 公式算出。
如图9和图7所示，取槽数Z为12，极对数P为4，相带取60°，进行 举例说明。
1)首先计算出每相输出绕组的有效匝数Wef。
2)取极对数P为4时，三个定子槽113构成一个完整的星形图。一个星 形图里的每相输出绕组内只有一个输出绕组元件F，励磁绕组T的各励磁绕 组元件E和输出绕组A、B、C中各输出绕组元件F的绕向关系如下表2所示。
表2
3)校核恒定分量
以输出绕组A为例：槽号1对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的 绕向关系为+(正向)与+(正向)，输出绕组元件F中的恒定分量为+。
槽号4对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为-(反向) 与-(反向)，输出绕组元件F中恒定分量为+。
槽号7对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为+(正向) 与+(正向)，输出绕组元件F中的恒定分量为+。
槽号10对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为-(反向) 与-(反向)，输出绕组元件F中恒定分量为+。
可以看出，四个槽内的输出绕组元件F对应的恒定分量分别为“+、+、+、 +”，不能够互相抵消，输出绕组A的总的恒定分量为+。同理，输出绕组B 和输出绕组C的总的恒定分量也均为+。因此，在槽数Z为12且极对数P为4 的条件下，60°相带不能被采用。
如图10和图7所示，取槽数Z为12，极对数P为4，相带取120°，进 行举例说明。
1)首先计算出每相输出绕组的有效匝数Wef。
2)一个星形图内的每相输出绕组具有二个输出绕组元件F，励磁绕组T 的各励磁绕组元件E和输出绕组A、B、C的各输出绕组元件F的绕向关系如 表3所示：
表3
3)校核恒定分量
如图10和图7所示，每相输出绕组内有八个输出绕组元件F，以输出绕 组A为例：因为极对数是4，每三个槽构成一对极。因此考察前两对极即可， 励磁绕组T的各励磁绕组元件X和输出绕组A、B、C的各输出绕组元件F 的绕向关系是：
槽号1对应的励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为+(正向) 与+(正向)，输出绕组元件F中的恒定分量为+。
槽号2对应励磁绕组元件E和输出绕组元件F的绕向关系为-(反向)与 +(正向)，输出绕组元件F中的恒定分量为-。
槽号4对应励磁绕组元件和输出绕组元件F的绕向关系为-(反向)与- (反向)，输出绕组元件F中的恒定分量为+。
槽号5对应励磁绕组元件和输出绕组元件的绕向关系为+(正向)与-(反 向)，输出绕组元件F中的恒定分量为-。
可以看出，四个槽内的输出绕组元件F对应的恒定分量分别为“+、-、+、 -”，能够互相抵消，输出绕组A的总的恒定分量为零。同理，输出绕组B和 输出绕组C的总的恒定分量均为零。因此，在槽数Z为12且极对数P为4的 条件下，能够采用120°相带的绕组。
4)计算输出绕组系数kw
输出绕组系数kw可通过上述计算公式算出。
5)计算每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件F的匝数
每相输出绕组的总匝数和每个输出绕组元件F的匝数均可通过上述计算 公式算出。
一实施例中，转子200的形状直接决定气隙磁场的形状，决定气隙磁场 中的各次谐波的大小和分布规律。这些不同次谐波的存在直接影响感应电势 该次谐波电势，从而产生误差、影响精度。如图11所示，转子200具有多个 用于形成极对数的凸起部210和凹槽部220，凸起部210和凹槽部220均呈弧 线形。凸起部210和凹槽部220沿转子的圆周方向间隔均匀布设。相邻的一 个凸起部210和一个凹槽部220为一组且形成一极对数。图11中极对数为4。 在其他实施方式中，极对数可以为其他个数。Dir为转子200的内径，Dsr为 转子200的最大外径，Do为转子200的最小外径。转子200的最大外径Dsr 的值通过电磁计算得到，转子200的最大外径Dsr决定了转子200与定子绕 组200之间的气隙大小。
转子200与定子组件100之间形成的气隙磁场公式为：
B(θ)＝B0+BPcos(Pθ)+BZcos(Zθ+φ)，保证BP/B0的值最大，BZ的值最小；
其中，BPcos(Pθ)为与极对数有关的主磁场；B0为恒定分量；BZcos(Zθ+φ)为 与定子槽113的数量有关的齿谐波。恒定分量和齿谐波为产生误差的主要因 素。
对本发明的磁阻式自整角机进行电气误差试验，可得出误差曲线：其中，ε(θ)为电气误差，εi为第i次频率变化的误差， p为极对数，θ为转子200的转角，φi为第i次误差的相角。通过分析，在所有 的误差形式里，最需要消除的是ε6×sin(6Pk±1)次误差，ε6次误差是由磁场的 5次和7次谐波磁场造成的。因此，作仿真分析、反向补偿B5和B7磁场，消除 6次频率变化的误差ε6。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
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