[發明專利]一種無刷線性旋轉變壓器

有效

• 申請號: 201210355872.0
• 申請日: 2012-09-21
• 公開（公告）號: CN102930966A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 譚成忠
• 申請（專利權）人: 譚成忠
• 主分類號: H01F38/18
• 分類號: H01F38/18;H01F27/28;H02K1/22;H02K3/12;G01B7/30
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技術領域

本發明涉及一種無刷線性旋轉變壓器，作為角度位置傳感用于多圈精密測量旋轉物體的角位移和角速度，在機電伺服控制系統中具有特殊用途，也可用于坐標變換、三角運算和角度數據傳輸、位移測量和振動監測領域。

背景技術

旋轉變壓器作為角度位置傳感器廣泛用于運動伺服控制系統中，用作為角度位置的傳感和測量。傳統角度位置傳感有光電編碼器、磁性編碼器和旋轉變壓器。光電式編碼器通過光電轉換將轉軸的角位移轉換成脈沖數字信號。根據轉盤的光刻方式及信號的輸出形式，光電編碼器又可分成增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器結構簡單，能夠以增量的方式給出角度位置的信息，但不能給出初始位置的信息。絕對式編碼器能夠直接輸出轉子的絕對位置信息，但其工藝復雜。光電編碼器具有直接輸出數字信號和高精度的優點，但光電編碼器不能應用于惡劣環境，抗沖擊能力差，而且不能應用于高速旋轉測量。由于光電編碼器通過轉盤離散的光刻輸出脈沖光電信號，因此形式上限制了分辨率的提高。磁性編碼器通過磁極的變化來測量轉軸的角位移。由于分辨率低和精度較差，磁性編碼器的應用沒有光電編碼器和旋轉變壓器普及。

旋轉變壓器是一種電磁感應式傳感器，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度。常規旋轉變壓器由定子和轉子組成，其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合在其兩斷產生感應電動勢。旋轉變壓器結構簡單可靠，特別適用其他旋轉編碼器無法正常工作的惡劣環境。

旋轉變壓器根據轉子電信號引進和引出的方式，分為有刷和無刷旋轉變壓器兩種。在有刷旋轉變壓器中，定子和轉子上都嵌有繞組。轉子繞組的電信號，通過滑動接觸，由轉子上的滑環和定子上的電刷引進或引出。由于有刷結構的存在，此類旋轉變壓器的可靠性較差。目前這種結構的旋轉變壓器已很少使用。

無刷旋轉變壓器有兩種結構形式，一種為環形變壓器式無刷旋轉變壓器，另一種為磁阻式旋轉變壓器。在環形變壓器式無刷旋轉變壓器中，一個繞組繞在定子上，一個繞組繞在轉子上，同心放置。轉子上的環形變壓器繞組與作信號變換的轉子繞組相聯。電信號的輸入和輸出由環形變壓器完成。磁阻式旋轉變壓器的勵磁繞組和輸出繞組嵌在同一套定子槽內。兩相繞組的電信號隨轉角作正余弦變化、彼此相位差90°。磁阻式旋轉變壓器的轉子磁極形狀須特殊設計加工，使得氣隙磁場呈正弦變化。

常規旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移發生相對位置的改變，其輸出電壓的大小隨轉子角位移而發生變化,輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角構成正弦、余弦函數關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。單對磁極的旋轉變壓器精度低。為了提高測量精度，常規旋轉變壓器內一般裝有多對磁極，因此結構復雜。常規旋轉變壓器的原邊信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉角呈正余弦變化。為了獲取角度和角速度信息，需要設計復雜的解調制電路，價格昂貴，而且計算復雜。目前采用的大多都是專用集成電路，例如美國AD公司的AD2S1200、AD2S1205?帶有參考振蕩器的12位數字R/D變換器以及AD2S1210?10到16位數字、帶有參考振蕩器的數字可變R/D變換器，以及連云港杰瑞電子有限公司生產的旋轉變壓器數字轉換器。這些原因使常規旋轉變壓器的大規模應用受到限制。

發明內容

本發明提供的一種無刷線性旋轉變壓器無可以克服現有旋轉變壓器的局限。新型無刷線性旋轉變壓器具有結構簡單可靠、穩定性好、抗電磁干擾和抗沖擊能力強的特點。新型無刷線性旋轉變壓器無需復雜的解調制電路和專用集成電路，能夠高速多圈精密測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，并且能夠連續跟隨轉軸角位移的變化。

本發明的目的是通過如下技術途徑實現的：一種無刷線性旋轉變壓器由轉子、定子、原邊線圈繞組、副邊線圈繞組、軸承、激磁電源和信號接受處理系統組成；原邊線圈繞組固定于定子一端的筒體上，轉子的一端安置于筒體的圓孔內，原邊線圈繞組的軸線與轉子的軸線一致，轉子與定子的另外一端通過軸承連接；副邊線圈繞組嵌于定子的內側，其法向垂直于轉子的軸向；激磁電源的激磁電流通過原邊線圈繞組產生交變磁場，交變磁場通過轉子與定子間的氣隙使磁通在旋轉變壓器內形成環流，并在副邊線圈繞組的兩端產生感應電動勢，感應電動勢的幅值與轉子轉角成線性關系；信號接受處理系統采集和處理副邊線圈繞組的感應電動勢信號并輸出轉子的角度位置、轉數和角速度參數。