技术领域

本发明涉及一种无刷线性旋转变压器， 作为角度位置传感用于多圈精密测量旋转物体 的角 位移和角速度， 在机电伺服控制系统中具有特殊用途， 也可用于坐标变换、 三角运算和 角度数据传输、 位移测量和振动监测领域。 背景技术

旋转变压器作为角度位置传感器广泛用于运动 伺服控制系统中， 用作为角度位置的传 感和测量。 传统角度位置传感有光电编码器、 磁性编码器和旋转变压器。 光电式编码器通 过光电转换将转轴的角位移转换成脉冲数字信 号。 根据转盘的光刻方式及信号的输出形 式， 光电编码器又可分成增量式编码器和绝对式编 码器。 增量式编码器结构简单， 能够以 增量的方式给出角度位置的信息， 但不能给出初始位置的信息。 绝对式编码器能够直接输 出转子的绝对位置信息， 但其工艺复杂。 光电编码器具有直接输出数字信号和高精度的 优 点， 但光电编码器不能应用于恶劣环境， 抗冲击能力差， 而且不能应用于高速旋转测量。 由于光电编码器通过转盘离散的光刻输出脉冲 光电信号， 因此形式上限制了分辨率的提 高。 磁性编码器通过磁极的变化来测量转轴的角位 移。 由于分辨率低和精度较差， 磁性编 码器的应用没有光电编码器和旋转变压器普及 。

旋转变压器是一种电磁感应式传感器， 用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。 常 规旋转变压器由定子和转子组成， 其中定子绕组作为变压器的原边， 接受励磁电压， 转子 绕组作为变压器的副边， 通过电磁耦合在其两断产生感应电动势。 旋转变压器结构简单可 靠， 特别适用其他旋转编码器无法正常工作的恶劣 环境。

旋转变压器根据转子电信号引进和引出的方式 ， 分为有剧和无刷旋转变压器两种。 在 有刷旋转变压器中， 定子和转子上都嵌有绕组。 转子绕组的电信号， 通过滑动接触， 由转 子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。 由于有刷结构的存在， 此类旋转变 ^器的可靠性 较差。 目前这种结构的旋转变压器已很少使用。

无刷旋转变压器有两种结构形式， 一种为环形变压器式无刷旋转变压器， 另一种为磁 阻式旋转变压器。 在环形变压器式无剧旋转变压器中， 一个绕組绕在定子上， 一个绕组绕 在转子上、 同心放置。 转子上的环形变压器绕组与作信号变换的转子 绕组相联。 电信号的 输入和输出由环形变压器完成。 磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组嵌在 同一套定子 槽内。 两相绕组的电信号隨转角作正余弦变化、 彼此相位差 9CT 。 磁阻式旋转变压器的转 子磁极形状须特殊设计加工， 使得气隙磁场呈正弦变化。

常规旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的 角位移发生相对位置的改变， 其输 出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出 绕组的电压幅值与转子转角构成正弦、 余弦函数关系， 或保持某一比例关系， 或在一定转角范围内与转角成线性关系。 单对 磁极的旋转变压器精度低。 为了提高测量精度， 常规旋转变压器内一般装有多对磁极， 因此结构复杂。 常规旋转变压器的原边信号输出是两相正交的 模拟信号， 它门的幅值随 着转角呈正佘弦变化。 为了获取角度和角速度信息， 需要设^复杂的解调制电路， 份格昂 贵, 而且计算复杂。 目前采用的大多都是专用集成电路. 例如美国 AD公司的 AD2S i 200、 AD2S 1205 带有参考振荡器的 12位数字 R/D变换器以及 AD2S 1210 10到 16位数字、 带有 参考振荡器的数字可变 R/D变换器，以及连云港杰瑞电子有¾公司生产� ��旋转变压器数字 转换器。 这些原因使常规旋转变压器的大规模应用受到 限制 发明内容

本发明提供的一种无刷线性旋转变压器无可以 克服现有旋转变压器的局限。新型无刷 线性旋转变压器具有结构简单可靠、 稳定性好、 抗电磁干扰和抗冲击能力强的特点。 新型 无刷线性旋转变压器无需复杂的解调劍电路 !专用集威电路， 能够高速多圈精密测量旋转 物体的转轴角位移和角速度， 并且能够连续跟随转轴角位移的变化。

本发明的目的是通过如下技术途径实现的： 一种无刷线性旋转变压器由转子、 定子、 原边线圈绕组、 副边线圈绕组、 轴承、 激磁电源和信号接受处理系统组成； 原边线圈绕组 固定于定子一端的筒体上， 转子的一端安置于筒体的圆孔内， 原边线圈绕组的轴线与转子 的轴线一致， 转子与定子的另外一端通过轴承连接； 副边线圈绕组嵌于定子的内侧， 其法 向垂直于转子的轴向； 激磁电源的激磁电流通过原边线圈绕组产生交 变磁场， 交变磁场通 过转子与定子间的气隙使磁通在旋转变压器内 形成环流， 并在副边线圈绕组的两端产生感 应电动势， 感应电动势的幅值与转子转角成线性关系； 信号接受处理系统采集和处理副边 线圈绕组的感应电动势信号并输出转子的角度 位置、 转数和角速度参数。

新型无刷线性旋转变压器的转子呈轴对称的平 行凸轮状或者轴对称的多齿凸轮状； 两 个或多个矩形副边线圈绕组均布并嵌于定子的 内侧， 每两个相邻矩形副边线圈绕组之间留 有等宽的气隙； 气隙呈槽状均布于定子的内侧并且平行于定子 的轴向。 转子和定子由铁磁 材料或者铁氧体材料构成。 转子和定子的一端通过铁磁材料或者铁氧体材 料形成低磁阻连 接。 连接转子与定子的轴承由抗磁材料或者顺磁材 料构成， 使该端的转子与定子之间形成 高磁阻隔离。

新型无刷线性旋转变压器的激磁电源为通过对 50赫兹或 60赫兹的普通交流电源降压 后形成的低压电源， 或者通过直流电源逆变后形成的交流电源。 信号接受处理系统输出副 边线圈绕组的感应电动势， 或者经数据处理后输出转子的角度位置、 转数和角速度参数。 附图说明

下面结合附图对本发明的目的和实现途径作进 一步详细说明：

图 1为本发明的结构示意图；

图 2为新型无刷线性旋转变压器内的磁通环路示� �图；

图 3为转子位置与副边线圈绕组电感的线性关系� �意图；

图 4为本发明的平行凸轮状转子与四副边线圈绕� �位置关系剖面图；

图 5为对应于图 4结构的四副边线圈绕组两端电动势与转子位� �关系图;

图 6为本发明的四齿凸轮状转子与四副边线圈绕� �位置关系剖面图。 本发明的结构如图 1所示。它包括转子 1、定子 2、原边线圈绕组 3、副边线圈绕组 4、 轴承 5、 激磁电源 6和信号接受处理系统 7。 由于转子 1和定子 2轴线一致， 因此凸轮转 子 1的边缘和定子 2内壁间的气隙宽度为一常数。 激磁电源 6的交变电流通过原边线圈绕 组 3在转子 1的轴向产生感应磁场。感应磁场通过气隙在� �子 1和定子 2间形成磁通环路， 如图 2中的箭头所示。 副边线圈绕组 4嵌于定子 2的内侧， 其法向垂直于转子的轴向。 激 励磁场在副边线圈绕组的两端产生感应电动势 。 感应电动势的频率与激磁电流的频率相 等。 设凸轮转子 1的一对称方向 A-A与副边线圈绕组 abed的外法线 n的夹角为 θ， 如图 3 所示。 由于凸轮转子 1的圆边和定子 2内壁间的气隙宽度为一常数， 因此副边线圈绕组的 电感和感应电动势的幅值与转子位置 Θ呈线性关系。 副边线圈绕组 4两端的感应电动势与 凸轮转子 1的形状以及副边线圈绕组 4的数量有关。 转子旋转的角速度等于 Θ对时间 t的 导数， 即 de/dt。 对旋转过程中角度变化的增量积分可记录转子 的转数。 通过测量和计算处 理副边线圈绕组 4两端的感应电动势即可确定转子的角度位置� � 转数和角速度参数。

常规旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的 角位移发生相对位置的改变， 输出 绕组的电压幅值与转子转角成正弦、 余弦函数关系。 为了获取角度和角速度信息， 需 要设计复杂的解调制电路及专用集成电路。 本发明提供的一种无刷线性旋转变压器无可以 克服现有旋转变压器的局限， 输出绕组的感应电动势的幅值与转子转角为线 性关系。 因 此电动势幅值与转角之间的转换关系简单。 具体实施方式 实施例 平行凸轮状转子与四副边线圈绕组作为本发明 的一种组合构型， 其位置关系剖面如图 4所示。 凸轮转子 1的圆边张角为 90°。 四个等同的副边线圈绕组 4均布于定子 2的内侧， 其法向垂直于转子的轴向。每个绕组的张角为 90°。相邻两个副边线圈绕组的张角相错 45°。 每一线圈绕组中心对称绕制。 两个相邻矩形副边线圈绕组之间留有等宽的气 隙； 气隙呈槽 状均布于定子的内侧并且平行于定子的轴向。 当凸轮转子的圆边张角与某一副边线圈绕组 的张角重合时， 该线圈绕组两端的感应电动势幅值最大。 当凸轮转子圆边对称轴向与某一 副边线圈绕组的法向垂直时， 该线圈绕组两端的感应电动势幅值最小。 设凸轮转子的圆边 对称方向与副边线圈绕组的法线的夹角为 θ， 如图 3所示。在图 4中， 从副边线圈绕组 abed 为参考沿顺时针方向均布的四个绕组分别为 efgh， ijkm, nopq, 其两端的电动势分别用 i^ i^ i^ tu表示。 电动势值满足如下关系式：

电动势与转子位置 Θ的线性关系如图 5所示。 四组电动势幅值之和为一常数， 正比于 激磁电源的电压幅值。 通过测量副边线圈绕组两端的感应电动势即可 确定转子的角度位 置、 转数和角速度参数。 实施例二 四齿凸轮状转子与四副边线圈绕组作为本发明 的另一种组合构型， 其位置关系剖面如 图 6所示。 凸轮转子 1的圆边张角为 45°。 四个等同的副边线圈绕组 4相邻均布于定子 2 的内侧， 其法向垂直于转子的轴向。 每个绕组的张角为 45°。 两个相邻矩形副边线圈绕组 之间留有等宽的气隙， 气隙呈槽状均布于定子的内侧并且平行于定子 的轴向。 每一线圈绕 组中心对称绕制。 沿顺时针方向均布的四个绕组分别为 abed, efgh, ijkm, nopq。 当凸轮 转子 1的圆边张角与某一副边线圈绕组的张角重合� �， 该线圈绕组两端的感应电动势幅值 最大。 当凸轮转子圆边对称轴向与某一副边线圈绕组 的法向垂直时， 该线圈绕组两端的感 应电动势幅值最小。 四组电动势幅值之和为一常数， 正比于激磁电源的电压幅值。 通过测 量副边线圈绕组两端的感应电动势即可确定转 子的角度位置、 转数和角速度参数。