粗精耦合轴向磁阻式旋转变压器的电磁原理与特性研究

摘要

轴向磁阻式旋转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。在电机控制系统中，它主要用于转子角度的数据传输，具有精度高、体积小、转动惯量小、抗干扰、耐高温高湿等特点，可以广泛地应用于国防、航天、汽车等领域中。
　　1对极单通道轴向磁阻式旋转变压器可以输出绝对位置信号，但是无法完成高精度测量，多对极单通道轴向磁阻式旋转变压器可以进行高精度测量，但是无法实现绝对位置信号的输出。为了保证在高精度情况下对电机转子位置信息进行绝对测量，本文以一种粗精耦合轴向磁阻式旋转变压器(ARR)为研究对象，并对其电磁原理分析、电感计算、电磁场的分析与计算、精机信号绕组输出电势的分析与优化、定转子的偏心与偏移对测量精度的影响等问题进行了研究。本文工作主要包括以下几个部分：
　　提出了一种新型粗精耦合ARR的结构，确定了励磁绕组与信号绕组的绕组型式、定子铁心型式、转子导磁波带结构。采用解析法推导了理想状态下定转子之间的耦合面积，得出了这种磁阻式旋转变压器气隙磁导随转子转角变化的规律，并建立了电压方程与等效电路。得到了两相粗机输出电势符合1倍角正弦函数特性与1倍角余弦函数特性，两相精机输出电势符合P倍角正弦函数特性与P倍角余弦函数特性，证明了粗精耦合ARR设计理念的可行性。
　　针对粗精耦合ARR结构复杂以及电感参数难以计算的特点，采用绕组函数法分别推导了等匝绕组型式与正弦绕组型式下粗精耦合ARR的电感，对两种不同绕组型式下自感与互感的变化规律进行了对比分析，得出了绕组电感与粗精耦合ARR误差之间的关系，为提高此种旋转变压器的测量精度提供了理论基础。并对电感的仿真分析与解析计算进行了相应的实验，验证了电感解析结果、电感仿真结果与电感测量结果基本吻合，证明了这种粗精耦合ARR电感计算方法的可行性与有效性。
　　采用有限元法分析了粗精耦合ARR的电磁场，揭示了各种结构参数对精耦合ARR磁场分布的影响，为提高粗精耦合ARR的电磁性能提供了指导。建立了考虑齿槽效应、磁场分布不均匀等因素下粗精耦合ARR的电压方程，得出了粗精耦合ARR的输出特性以及精机输出电势谐波畸变率的影响因素，并分析了不同的结构参数对精机输出电势谐波畸变率的抑制效果。结果表明，精耦合ARR的结构改进可以使磁场分布更加均匀；对气隙长度、定子齿数、转子精粗比、转子相对相位角等参数进行修正，均能有效地抑制精机输出电势谐波畸变率；在转子形状函数中叠加谐波的方式也可以实现精机输出电势谐波畸变率的抑制。
　　采用有限元法对等匝绕组型式与正弦绕组型式下15对极粗精耦合ARR定子径向偏心、转子径向偏心和转子轴向偏移等装配问题进行了研究，分析了上述问题对该种旋转变压器测量误差的影响。并对一台15对极粗精耦合ARR的样机进行了实验，验证了以上三种装配问题对测量误差的影响，得出了不同偏心情况下输出电势的变化规律，为后续工作中采用测角电路进行补偿提供了参考依据。实验结果表明，当保证转子轴向偏移量在定子齿高的50%以内时，转子的轴向偏移并不会使精机信号绕组输出电势出现额外的误差，只会降低精机输出电势的幅值；定转子径向偏心会导致精机信号绕组输出电势出现额外的函数误差，定子径向偏心还会使精机信号绕组输出电势产生额外的零位误差。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 磁阻式旋转变压器的研究发展现状

1.3 磁阻式旋转变压器的关键问题及研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 粗精耦合ARR的结构与电磁原理

2.1 引言

2.2 磁阻式旋转变压器的工作原理

2.3 单通道ARR的电磁原理

2.4 粗精耦合ARR的电磁原理

2.5 本章小结

第3章 粗精耦合ARR的电感计算与分析

3.1 引言

3.2 绕组函数法的基本原理

3.3 采用等匝绕组型式的电感计算

3.4 采用正弦绕组型式的电感计算

3.5 电感仿真值与电感解析值的对比分析

3.6 15对极粗精耦合ARR的电感测试实验

3.7 本章小结

第4章 粗精耦合ARR的电磁场与精机输出电势谐波的分析

4.1 引言

4.2 粗精耦合ARR的电磁场分析

4.3 精机信号绕组输出电势的解析法计算

4.4 精机信号绕组输出电势谐波畸变率的影响因素分析

4.5 本章小结

第5章 粗精耦合ARR的定转子偏心对精度的影响

5.1 引言

5.2 定转子偏心与偏移对输出电势的影响

5.3 粗精耦合ARR的测量精度实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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