旋轉變壓器原理

§4—1旋轉變壓器旋轉變壓器是一種常用的轉角檢測元件，由于它結構簡單，工作可靠，且其精度能滿足一般的檢測要求，因此被廣泛應用在數(shù)控機床上。一、旋轉變壓器的結構旋轉變壓器的結構和兩相繞線式異步電機的結構相似，可分為定子和轉子兩大部分。定子和轉子的鐵心由鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖成的槽狀心片疊成。它們的繞組分別嵌入各自的槽狀鐵心內。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉子繞組兩種不同的引出方式，旋轉變壓器分為有刷式和無刷式兩種結構形式。圖4-1是有刷式旋轉變壓器。它的轉子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點是結構簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機械滑動接觸的，所以旋轉變壓器的可靠性差，壽命也較短。圖4-1有刷式旋轉變壓器耕旋轉變壓器本體定子頗變壓器定子?附加婭器-?f*耕旋轉變壓器本體定子頗變壓器定子?附加婭器-?f*除變嘛林薯于附帷玉SHI維圈于綬雄圖4-2無刷式旋轉變壓器圖4—2是無刷式旋轉變壓器。它分為兩大部分，即旋轉變壓器本體和附加變壓器。附加變壓器的原、副邊鐵心及其線圈均成環(huán)形，分別固定于轉子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉變壓器本體的轉子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經附加變壓器副邊線圈間接地送出去。這種結構避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質量、成本均有所增加。常見的旋轉變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉變壓器的定子和轉子各有一對磁極，四極繞組則有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。二、旋轉變壓器的工作原理由于旋轉變壓器在結構上保證了其定子和轉子（旋轉一周）之間空氣間隙內磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當激磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉子繞組便產生感應電勢。圖4-3為兩極旋轉變壓器電氣工作原理圖。圖中Z為阻抗。設加在定子繞組耳5^的激磁電壓為

(4—1)圖4-3(4—1)圖4-3兩極旋轉變壓器(4—2)(4—2)根據(jù)電磁學原理，轉子繞組B1B2中的感應電勢則為(4—2)(4—2)V=KVsin9=KVsin9sinst式中K——旋轉變壓器的變化；匕一匕的幅值；9——轉子的轉角，當轉子和定子的磁軸垂直時，9=0。如果轉子安裝在機床絲杠上，定子安裝在機床底座上，則9角代表的是絲杠轉過的角度，它間接反映了機床工作臺的位移。由式(4—2)可知，轉子繞組中的感應電勢K為以角速度3隨時間t變化的交變電壓信號。其幅值KVmSin9隨轉子和定子的相對角位移9以正弦函數(shù)變化。因此，只要測量出轉子繞組中的感應電勢的幅值，便可間接地得到轉子相對于定子的位置，即9角的大小。以上是兩極繞組式旋轉變壓器的基本工作原理，在實際應用中，考慮到使用的方便性和檢測精度等因素，常采用四極繞組式旋轉變壓器。這種結構形式的旋轉變壓器可分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式。1. 鑒相式工作方式

鑒相式工作方式是一種根據(jù)旋轉變壓器轉子繞組中感應電勢的相位來確定被測位移大小的檢測方式。如圖4-4所示，定子繞組和轉子繞組均由兩個匝數(shù)相等互相K1K2為定子輔助繞組。當K1K2為定子輔助繞組。當S1S2和垂直的繞組組成。圖中S1S2為定子主繞組KK K1K2中分別通以交變激磁電壓時V=Vcosst(4-3);V=Vsinst(44—))V=VcosstV=Vcosst (4V=Vcosst (4-3);V=Vsinst(4-4)(4—4)根據(jù)線性疊加原理，可在轉子繞組B1B2中得到感應電勢匕其值為激磁電壓.BB V^V.BB V^VS和k在12中產生感應電勢BS和BK之和，即VB=VBS+VBKV=V+V=KVsin(-0)+%cos0B bs bk=-KVcosstsin0+KVsinstcos0=KVsin(-0)+KVcosK m=-KVcoss=iKVmFsK(ss-i0j)tcos(04-5)m=KVsin(st-0) (4—5)m(4—5)圖4-4旋轉變壓器電氣工作原理由式(4—4)和(4—5)可見，旋轉變壓器轉子繞組中的感應電勢匕與定子繞組中的激磁電壓同頻率，但相位不同，其差值為°。而°角正是被測位移，故通過比較感應電勢匕與定子激磁電壓信號匕的相位，便可求出°。在圖4—4中，轉子繞組1A2接一高阻抗，它不作為旋轉變壓器的測量輸出，主要起平衡磁場的作用，目的是為了提高測量精度。

2.鑒幅式工作方式鑒幅式工作方式是通過對旋轉變壓器轉子繞組中感應電勢幅值的檢測來實現(xiàn)位移檢測的。其工作原理如下:KK K1K2分別輸入交變激磁電壓.一一 SS KK K1K2分別輸入交變激磁電壓參看圖4-4,設定子主繞組S1S2和輔助繞組V=Vcosasinst(4—6);V=VsinasR—￡)(4—V=Vcosasinst(4—6);V=VsinasR—￡)(4—7)V=Vcosasinst (4—6);V=Vsinasinst(4-7)(4—7)式中VmCOsa和Vmsina分別為激磁電壓匕和匕的幅值。a角可以改變，稱其為旋轉變壓器的電氣角。根據(jù)線性疊加原理，得出轉子繞組B1B2中的感應電勢匕如下:V=V+V=KVsin(—0)+KVcos0=—KVcosasinstsin0+KVsinasinstcos0BBSBK s k m m=KVsin(a—0)sinst (4—8)m V=V+V=KVsin—0)+KVco0=—KVcoasimtsiri9+KVsinasin^tco0BBSBKs k=KVsina—9)siim(4—8)m(4—8)由式(4-8)可以看出，感應電勢Vb是幅值為KVmsin(a-0)的交變電壓信號，我們只要逐漸改變a值，使VB的幅值等于零，這時，因KVsin(a—0)=0 (4—9)故可得：0二a(4—9)(4—10)a值就是被測角位移0的大小。由于a是我們通過對它的逐漸改變，實現(xiàn)使V一…一，一，，，— ，，，B幅值等于零的，其值自然是應該知道的。三、旋轉變壓器的應用在旋轉變壓器的鑒相式工作方式中，感應信號"日和激磁信號VK之間的相位差6角，可通過專用的鑒相器線路檢測出來并表示成相應的電壓信號，設為 U(°)，通過測量該電壓信號，便可間接地求得6值。但由于VB是關于6的周期性函數(shù)，U(6)是通過比較Vb和VK之值獲得的，因而它也是關于6的周期性函數(shù)，即U(6)=U(nX2n+6) (n=1,2,3,…)(4—9)故在實際應用中，不但要測出U(6)的大小，而且還要測出U(6)的周期性變化次數(shù)n，或者將被測角位移6角限制在土n之內。在旋轉變壓器的鑒幅式工作方式中，K的幅值設為VBm，由式(4—8)可知V=KVsin(a-6) (4—12)(4—10)它也是關于6的周期性函數(shù)，在實際應用中，同樣需要將6角限制在土n之內。在這種情況下，若規(guī)定和限制a角只能在】-n,n］內取值，利用式(4-10)，便可唯一地確定出6之值。否則，如6=3n/2(>n)，這時，a=3n/2和a=-n/2都可使VBm=0，從而使6角不能唯一地確定，造成檢測結果錯誤。由上述知，無論是旋轉變壓器的鑒相式工作方式，還是鑒幅式工作方式，都需要將被測角位移6角限定在土n之內，只要6在土n之內，就能夠被正確地檢測出來。事實上，對于被測角位移大于n或小于-n的情況，如用旋轉變壓器檢測機床絲杠轉角的情況，盡管總的機床絲杠轉角6可能很