孫曉繁 蒙赟 馬天生

摘要：為解決無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)變壓器傳統(tǒng)電磁設(shè)計(jì)方法難以保證精度的問(wèn)題，提出了一種基于Maxwell和Matlab聯(lián)合仿真旋轉(zhuǎn)變壓器性能的方法，模擬分析旋變?cè)诓煌D(zhuǎn)角位置時(shí)繞組輸出電壓的正余弦變化過(guò)程，在原有旋變分析基礎(chǔ)上耦合環(huán)變壓降過(guò)程，實(shí)現(xiàn)引入環(huán)變后的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)正余弦性及電氣精度仿真，從而可有效驗(yàn)證無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)變壓器整機(jī)的電氣性能指標(biāo);最后通過(guò)多型號(hào)實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的合理性與有效性。

關(guān)鍵詞：無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)變壓器;仿真分析;正余弦性;電氣精度

中圖分類號(hào)：TM38? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.021

0? ? 引言

無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)變壓器是自動(dòng)裝置中的一類精密控制微電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)可靠、檢測(cè)精度高、壽命長(zhǎng)、耐極端環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠強(qiáng)實(shí)時(shí)、高精度地獲取轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精準(zhǔn)控制[1]。

當(dāng)前旋轉(zhuǎn)變壓器主要面臨傳統(tǒng)磁路算法過(guò)多依賴經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、計(jì)算誤差大的難題，且在精度校核、電氣誤差仿真等技術(shù)層面也未有實(shí)質(zhì)性突破。Roman M[2]等采用數(shù)值分析方法對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真建模，確定了旋變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。文獻(xiàn)[3]基于三次樣條插值法和極值法提出了一種精準(zhǔn)判斷輸出信號(hào)正余弦性方法，但未考慮引入環(huán)變后的整機(jī)分析驗(yàn)證。

基于此，本文利用Maxwell仿真旋轉(zhuǎn)變壓器在各轉(zhuǎn)角位置下繞組輸出電壓的波形變化過(guò)程，結(jié)合Matlab的數(shù)值分析功能擬合繞組輸出信號(hào)包絡(luò)線，求解分析旋變兩相輸出信號(hào)的正余弦性及電氣精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法可有效評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)變壓器電氣性能。

1? ? 旋變?cè)?/p>

單級(jí)無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)變壓器涵蓋環(huán)形變壓器和旋轉(zhuǎn)變壓器兩個(gè)部分，其電路原理圖如圖1所示。首先，在環(huán)變定子繞組施加正弦波輸入U(xiǎn)R1R3，激發(fā)環(huán)變轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以此在環(huán)變和旋變轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成的閉環(huán)回路中產(chǎn)生電流，利用轉(zhuǎn)子與定子槽間氣隙的變化，使旋變定子兩相繞組輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（US1S3、US2S4）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦變化關(guān)系。

輸出繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別如式（1）（2）所示。通過(guò)對(duì)兩相繞組輸出的正余弦信號(hào)US1S3、US2S4進(jìn)行解調(diào)處理解算出轉(zhuǎn)角θ[4]。

US2S4=Uampsin（ωt）sin θ（1）

US1S3=Uampsin（ωt）cos θ（2）

式中：Uamp為激磁差分電壓幅值;ω為激磁信號(hào)角頻率;θ為旋變轉(zhuǎn)子角度位置。

2? ? 旋轉(zhuǎn)變壓器聯(lián)合仿真分析

2.1? ? 旋變部分電磁仿真分析

在Ansys Maxwell 2D中建立旋變的二維有限元分析模型，如圖2所示。對(duì)旋變定子、轉(zhuǎn)子、繞組、氣隙進(jìn)行剖分，并添加激勵(lì)。

通過(guò)Maxwell仿真得出兩相正余弦繞組輸出信號(hào)波形如圖3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出余弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為US1S3=8.520 1/≈6.025 V，正弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為US2S4=8.520 0/≈6.025 V，由此可計(jì)算出旋變部分變壓比為0.860 7。

2.2? ? 環(huán)變部分電磁仿真分析

環(huán)變建模過(guò)程參考本文2.1節(jié)，磁力線的分布示意圖如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，磁力線主要在環(huán)形變壓器鐵芯上分布，鐵芯漏磁較少。由環(huán)變空載磁密B的分布示意圖圖4（b）可以看出，環(huán)形變壓器鐵芯中的磁密分布均勻合理，且過(guò)渡圓滑;最大磁密處0.004 22 T，未出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象;邊緣和齒槽處漏磁較小，鐵芯利用率較高。

結(jié)合Maxwell仿真得到環(huán)變輸出電壓UR2R4曲線，結(jié)果如圖5所示。

2.3? ? 整機(jī)輸出正余弦性及電氣精度仿真分析

將引入環(huán)變后的旋變整機(jī)正余弦輸出信號(hào)進(jìn)行函數(shù)化處理，同時(shí)利用Matlab的數(shù)據(jù)分析功能對(duì)輸出電壓包絡(luò)線進(jìn)行傅里葉分解，得到輸出電壓各次諧波下的相對(duì)基波幅值，并解算出諧波畸變率THD，如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，正余弦輸出信號(hào)幅值包絡(luò)線線性度較好，整體包絡(luò)曲線無(wú)散點(diǎn)波動(dòng);而由圖6（b）可以看出，輸出信號(hào)幅值包絡(luò)線的諧波畸變率均不足0.2%，表明該信號(hào)波形正弦性較好。

基于計(jì)算得到兩相輸出電壓有效值|Ucos|和|Usin|，反正切計(jì)算該角度位置，仿真時(shí)每隔5°機(jī)械角度采樣一個(gè)點(diǎn)，得到旋變轉(zhuǎn)子在某電周期內(nèi)各個(gè)位置下輸出信號(hào)如圖7所示。

再將旋變各個(gè)位置下的正、余弦輸出電壓和激磁電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab程序中，得出在72個(gè)位置下的仿真電氣精度值如圖8所示。

從圖8的仿真結(jié)果可以看出，仿真電氣角度與實(shí)際設(shè)定角度基本一致，仿真電氣精度散點(diǎn)幾乎覆蓋實(shí)際電氣角度曲線且呈0～360°線性遞增，角度誤差值在100°～250°區(qū)間呈先增大后減小趨勢(shì)，其中在176°位置時(shí)達(dá)到偏差最大值。通過(guò)圖8電氣角度位置的誤差計(jì)算值可以得到旋變?cè)诟鹘嵌认碌淖畲箅姎庹`差為1.465′，理論仿真值普遍滿足旋轉(zhuǎn)變壓器性能需求。

3? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1? ? 正余弦性試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方法的準(zhǔn)確性及旋變裝機(jī)后實(shí)際輸出信號(hào)的正余弦性，下面進(jìn)行旋變輸出波形測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)采用對(duì)拖法，試驗(yàn)設(shè)備及監(jiān)測(cè)波形如圖9、圖10所示，電機(jī)穩(wěn)速控制在13 000 r/min。

該試驗(yàn)通過(guò)模擬電機(jī)實(shí)際跑合過(guò)程，得出旋變輸出信號(hào)實(shí)測(cè)波形，結(jié)合本文2.3節(jié)仿真結(jié)果與圖10可以看出，正余弦輸出信號(hào)幅值包絡(luò)線整體無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，上下包絡(luò)過(guò)渡平滑，正余弦幅值全覆蓋包絡(luò)，旋變實(shí)物與仿真模型的繞組輸出波形整體差別不大，因此上述方法可作為旋變輸出信號(hào)正余弦性判別標(biāo)準(zhǔn)。

3.2? ? 電氣精度試驗(yàn)驗(yàn)證

下面針對(duì)廠內(nèi)幾種旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行性能實(shí)測(cè)，旋轉(zhuǎn)變壓器仿真值與實(shí)測(cè)值比對(duì)結(jié)果如圖11所示，圖中實(shí)測(cè)值為每種型號(hào)產(chǎn)品各取50臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)后的電氣誤差平均值。

由圖11可以看出，各型號(hào)產(chǎn)品電氣誤差的理論數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)值相差不大，實(shí)測(cè)電氣誤差平均值在2.6′～7.5′范圍波動(dòng)，相比各型號(hào)的仿真值平均偏高3.8′左右，這主要是因?yàn)榧庸げ町愋杂绊懙捷敵鲭妷号c轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系;同時(shí)隨著基座號(hào)的增加，電氣誤差呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樾〕叽缧D(zhuǎn)變壓器的精度受工藝誤差影響較為嚴(yán)重。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于Maxwell和Matlab聯(lián)合仿真旋轉(zhuǎn)變壓器性能指標(biāo)的方法，分析旋變轉(zhuǎn)子在各角度下繞組輸出電壓的正余弦變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)考慮環(huán)變降落后的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)正余弦性及電氣精度仿真，最后結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了該仿真方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)無(wú)接觸旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)改進(jìn)與精度校核提供了研究基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] MANKO R，VUKOTI[ú] [C] M，MAKUC D，et al.Modelling of the Electrically Excited Synchronous Machine with the Rotary Transformer Design Influence[J].Energies，2022，15（8）：2832.

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收稿日期：2024-03-18

作者簡(jiǎn)介：孫曉繁（1996—），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，研究方向：微特電機(jī)的研發(fā)與設(shè)計(jì)。