張曉宇

（江門職業(yè)技術(shù)學院 ，江門529090）

0 引 言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種把軸角信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的電磁感應式傳感器，其以可靠性高、精度高、抗沖擊、振動、以及能夠提供高精度的位置信息等突出優(yōu)點，廣泛應用于要求可靠性高的各種伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中，但旋轉(zhuǎn)變壓器有電刷和滑環(huán)等接觸結(jié)構(gòu)，運轉(zhuǎn)時有可能產(chǎn)生火花帶來電磁干擾，而無刷旋轉(zhuǎn)變壓器沒有電刷滑環(huán)的接觸，具有無刷化、高可靠性、高精度、成本低廉和易于安裝等優(yōu)點，可以提高系統(tǒng)的可靠性和抗 沖擊能力 ，適應條件惡劣的工作環(huán)境，并能連續(xù)高速，長壽命的運行.已被廣泛應用于如航空、航天、雷達、坦克等軍事裝備，也用于數(shù)控機床和機器人等伺服驅(qū)動系統(tǒng).

無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是在接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)形式很多，如環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)、電機鐵心兼做環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子杯結(jié)構(gòu)等等.目前國內(nèi)外采用比較多的是如圖1所示的環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)，即用環(huán)形變壓器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電刷和滑環(huán)，以實現(xiàn)無接觸.這種結(jié)構(gòu)精度高，零位電壓低，功率消耗?。?－4］.

本文詳細地介紹了無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，采用電磁場仿真軟件Ansoft／Maxwell 2D設計，并進行瞬態(tài)磁場的仿真分析.通過仿真分析，得出了無刷旋變的兩相輸出電壓和磁場分布圖.分析了電機內(nèi)磁場分布的規(guī)律，通過對參數(shù)進行優(yōu)化設計，得到了符合要求的樣機.

圖1 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

1 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器具有一個或兩個環(huán)形變壓器，如圖1所示，環(huán)形變壓器的轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組直接相連.當環(huán)形變壓器的定子繞組施加勵磁信號ER1R2＝Esinωt時，在環(huán)形變壓器的轉(zhuǎn)子繞組中就產(chǎn)生相應的感應電勢，其大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角無關(guān)，此電勢施加在旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組上，即為旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電壓，從而形成無刷結(jié)構(gòu)，如圖2所示［1］.

圖2 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

假定定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)變比為k∶1，則兩相正交繞組中將感應如下信號：

ES1S3＝UCOS＝kEsinωtcospθ

ES2S4＝USIN＝kEsinωtsinpθ

E——正弦波勵磁電壓幅值；

ω——正弦波勵磁電壓角頻率；

k——電壓比；

θ——轉(zhuǎn)子角度；

p——極對數(shù).

無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁信號和兩相輸出信號波形如圖3所示［2］.

圖3 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁及輸出波形

2 無刷旋變模型建立和磁場分析

2.1 模型建立

無刷旋轉(zhuǎn)變壓器由環(huán)形變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器兩部分組成，相關(guān)參數(shù)如表1所示.環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)相對簡單，本文主要分析旋轉(zhuǎn)變壓器部分，采用電磁場仿真軟件Ansoft／Maxwell 2D設計分析.

首先應用Maxwell 2D，建立二維有限元模型，然后再進行磁場分析 ，并計算氣隙磁密 ，在此基礎(chǔ)上求解輸出波形.Maxwell是Ansoft公司的電磁場有限元分析軟件 ，它的高性能矩陣求解器、多CPU處理能力、自適應的網(wǎng)格剖分技術(shù)和用戶定義材料庫等特點 ，使其可以快速完成磁場分析.

表1 樣機設計參數(shù)

旋轉(zhuǎn)變壓器二維有限元模型如圖4所示.

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器二維有限元模型

2.2 材料特性及激勵源設置

在指定材料屬性時，定、轉(zhuǎn)子沖片所采用的硅鋼片材料的型號是DW310，導線材料設置為銅（copper），氣隙和轉(zhuǎn)動帶都設置為真空（vacuum）.在Ansoft／maxwell 2D的材料數(shù)據(jù)庫中并沒有該種材料，所以要將B－H曲線離散化再將其中的值輸人到材料賦值器中自定義該種材料擬合出材料的B－H曲線.

二維瞬態(tài)分析中可以設置的激勵源有：實體電流、實體電壓、表面電流以及外部電路，本文分析的無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器為單相勵磁，兩相輸出，因此選用單相交流電壓激勵，u＝ 7sin2000πt.

2.3 有限元網(wǎng)格剖分

有限元法是以變分原理和近似插值離散為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計算方法，它的計算精度取決于剖分單元的大小與單元的分布 一般來說，單元數(shù)越多，則近似解的精度就越高，為了得到較精確的計算結(jié)果，單元的大小與單元的疏密分布要合理，合理的網(wǎng)格需要在網(wǎng)格自動剖分程序所生成的初步網(wǎng)格基礎(chǔ)上，由網(wǎng)格細分環(huán)節(jié)來得到，氣隙是最重要的部分，對其進行手動剖分.有限元剖分圖如圖5所示.

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器網(wǎng)格剖分圖

2.4 后處理

對模型分別用magnetostatic及transient模塊設置并求解，通過Ansoft／maxwell 2D軟件強大的后處理功能，可得到相應參數(shù)的仿真結(jié)果，用以分析判斷無刷旋變性能是否達到所需的要求，若不滿足，可以調(diào)整相應的參數(shù)，重新建模仿真.

2.5 有限元分析結(jié)果

通過對模型的有限元仿真分析，可以得到無刷旋變空載磁密及磁力線分布，如圖6、圖7所示.對其兩相輸出繞組分別按正弦繞組設置，仿真分析可得到兩相正余弦輸出繞組玻形，如圖8所示.

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦輸出波形圖

3 結(jié) 語

本文簡要分析了無刷旋轉(zhuǎn)變壓器中關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)變壓器部分的仿真設計，利用電磁場仿真軟件Ansoft／Maxwell 2D的 magnetostatic及transient模塊建立有限元仿真模型并求解得到旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場分布及輸出電壓波形，通過對其氣隙大小及繞組匝數(shù)的優(yōu)化設計，得到了滿足要求的優(yōu)化方案，為以后快速、準確設計無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器打下基礎(chǔ).

［1］ J o a～o Figueiredo.Resolver Models for Manu Facturing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，58 （8）：3693－3670.

［2］ Ruijie Zhao，Xuejun Tao，etal.Research on The Decoding Method of Resolver［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，11（1）：329－333.

［3］ Lazhar Ben－Brahim，Mohieddine Benammar，etal.A New Angle Determination Method For Resolvers［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2008，08（2）：126－131.

［4］ H.S.Mok，S.H.KimandY.H.Cho.Reduction of PMSM Torque Ripple Caused by Resolver Position Error［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，42（11）：121－125.