旋轉(zhuǎn)變壓器原理

§4—1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件，由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，且其精度能滿足一般的檢測(cè)要求，因此被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上。一、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和兩相繞線式異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子和轉(zhuǎn)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(nèi)。定子繞組通過(guò)固定在殼體上的接線柱直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無(wú)刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。圖4-1是有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它的轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。圖4-1有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器耕旋轉(zhuǎn)變壓器本體定子頗變壓器定子?附加?jì)I器-?f*耕旋轉(zhuǎn)變壓器本體定子頗變壓器定子?附加?jì)I器-?f*除變嘛林薯于附帷玉SHI維圈于綬雄圖4-2無(wú)刷式旋轉(zhuǎn)變壓器圖4—2是無(wú)刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它分為兩大部分，即旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)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(hào)，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號(hào)，通過(guò)電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊線圈間接地送出去。這種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質(zhì)量、成本均有所增加。常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對(duì)磁極，四極繞組則有兩對(duì)磁極，主要用于高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。二、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)一周）之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。圖4-3為兩極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理圖。圖中Z為阻抗。設(shè)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(zhuǎn)變壓器(4—2)(4—2)根據(jù)電磁學(xué)原理，轉(zhuǎn)子繞組B1B2中的感應(yīng)電勢(shì)則為(4—2)(4—2)V=KVsin9=KVsin9sinst式中K——旋轉(zhuǎn)變壓器的變化；匕一匕的幅值；9——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)，9=0。如果轉(zhuǎn)子安裝在機(jī)床絲杠上，定子安裝在機(jī)床底座上，則9角代表的是絲杠轉(zhuǎn)過(guò)的角度，它間接反映了機(jī)床工作臺(tái)的位移。由式(4—2)可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)K為以角速度3隨時(shí)間t變化的交變電壓信號(hào)。其幅值KVmSin9隨轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)角位移9以正弦函數(shù)變化。因此，只要測(cè)量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，即9角的大小。以上是兩極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到使用的方便性和檢測(cè)精度等因素，常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器。這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)確定被測(cè)位移大小的檢測(cè)方式。如圖4-4所示，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個(gè)匝數(shù)相等互相K1K2為定子輔助繞組。當(dāng)K1K2為定子輔助繞組。當(dāng)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(shí)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(zhuǎn)子繞組B1B2中得到感應(yīng)電勢(shì)匕其值為激磁電壓.BB V^V.BB V^VS和k在12中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)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(zhuǎn)變壓器電氣工作原理由式(4—4)和(4—5)可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)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(cè)位移，故通過(guò)比較感應(yīng)電勢(shì)匕與定子激磁電壓信號(hào)匕的相位，便可求出°。在圖4—4中，轉(zhuǎn)子繞組1A2接一高阻抗，它不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量輸出，主要起平衡磁場(chǎng)的作用，目的是為了提高測(cè)量精度。

2.鑒幅式工作方式鑒幅式工作方式是通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)幅值的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)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(shè)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(zhuǎn)變壓器的電氣角。根據(jù)線性疊加原理，得出轉(zhuǎn)子繞組B1B2中的感應(yīng)電勢(shì)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(yīng)電勢(shì)Vb是幅值為KVmsin(a-0)的交變電壓信號(hào)，我們只要逐漸改變a值，使VB的幅值等于零，這時(shí)，因KVsin(a—0)=0 (4—9)故可得：0二a(4—9)(4—10)a值就是被測(cè)角位移0的大小。由于a是我們通過(guò)對(duì)它的逐漸改變，實(shí)現(xiàn)使V一…一，一，，，— ，，，B幅值等于零的，其值自然是應(yīng)該知道的。三、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒相式工作方式中，感應(yīng)信號(hào)"日和激磁信號(hào)VK之間的相位差6角，可通過(guò)專用的鑒相器線路檢測(cè)出來(lái)并表示成相應(yīng)的電壓信號(hào)，設(shè)為 U(°)，通過(guò)測(cè)量該電壓信號(hào)，便可間接地求得6值。但由于VB是關(guān)于6的周期性函數(shù)，U(6)是通過(guò)比較Vb和VK之值獲得的，因而它也是關(guān)于6的周期性函數(shù)，即U(6)=U(nX2n+6) (n=1,2,3,…)(4—9)故在實(shí)際應(yīng)用中，不但要測(cè)出U(6)的大小，而且還要測(cè)出U(6)的周期性變化次數(shù)n，或者將被測(cè)角位移6角限制在土n之內(nèi)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒幅式工作方式中，K的幅值設(shè)為VBm，由式(4—8)可知V=KVsin(a-6) (4—12)(4—10)它也是關(guān)于6的周期性函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，同樣需要將6角限制在土n之內(nèi)。在這種情況下，若規(guī)定和限制a角只能在】-n,n］內(nèi)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(shí)，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(cè)結(jié)果錯(cuò)誤。由上述知，無(wú)論是旋轉(zhuǎn)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(cè)角位移6角限定在土n之內(nèi)，只要6在土n之內(nèi)，就能夠被正確地檢測(cè)出來(lái)。事實(shí)上，對(duì)于被測(cè)角位移大于n或小于-n的情況，如用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角的情況，盡管總的機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角6可能很